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https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/34146
Tipo: | Tese |
Título: | Caracterização mecânica e dinâmica dos óxidos constituintes do cimento portland e do silicato de cálcio hidratado através da teoria do funcional da densidade |
Autor(es): | Andrade, Jefferson Maul de |
Primeiro Orientador: | Dutra, Ricardo Peixoto Suassuna |
Resumo: | Neste estudo, o foco principal é a caracterização mecânica e dinâmica de componentes cimentícios, utilizando modelos atomísticos para compreender as propriedades deste sistema complexo. A Teoria do Funcional da Densidade (DFT) foi empregada como ferramenta de análise em nível atômico, possibilitando uma investigação aprofundada das propriedades estruturais e eletrônicas dos materiais, apesar do elevado custo computacional associado a sistemas tão complexos. A computação paralela foi imprescindível para a realização dos cálculos, permitindo que múltiplas simulações fossem executadas simultaneamente em diferentes processadores. Esta abordagem reduziu significativamente o tempo necessário para obter resultados, mitigando as limitações impostas pelo tempo computacional. Dessa forma, foi possível estudar os aspectos dinâmicos e mecânicos dos principais óxidos constituintes do clínquer, que é o principal componente do cimento Portland: C3S, C2S, C3A e C4AF, além de um estudo inicial da hidratação do clínquer, resultando na formação do silicato de cálcio hidratado (C-S-H). Os resultados principais incluem a geração de espectros Raman e a análise da evolução do tensor elástico e das propriedades mecânicas associadas, sob diferentes estímulos externos (pressão, deformação e temperatura). No estudo do clínquer, deu-se atenção especial à avaliação da estabilidade dinâmica e mecânica das várias formas polimórficas propostas do óxido mais abundante: o C3S. Especificamente, cinco modelos cristalinos diferentes de C3S foram analisados, dos quais apenas dois se mostraram dinamicamente estáveis. A resposta mecânica do C3S foi adicionalmente examinada em função da temperatura através de uma descrição quase-harmônica. Para o C-S-H, foi adotado um modelo baseado no mineral tobermorita, considerado adequado devido à alta concordância entre os espectros teóricos e experimentais. Diferentes razões Ca/Si foram exploradas para encontrar aquela que melhor concordasse com o espectro experimental do C-S-H. A utilização das espécies Qn (ligadas à formação de pontes entre oxigênios dos tetraedros de silício) na avaliação das bandas foi essencial para a confirmação dos modelos. Embora os espectros individuais em diferentes proporções de Ca/Si apresentassem apenas uma concordância parcial com o espectro experimental do C-S-H, a combinação dos espectros Raman calculados resultou em um espectro “sintético” com notável concordância com o espectro experimental. Este resultado é significativo, especialmente considerando as complexidades da inclusão de moléculas de água na estrutura, que poderiam desafiar a aproximação harmônica utilizada. Assim, os modelos apresentados demonstram-se capazes de reproduzir com confiabilidade dados experimentais e têm potencial para prever novas propriedades, podendo portanto, apoiar decisões e avanços tecnológicos relacionados ao desenvolvimento sustentável. |
Abstract: | In this study, the main focus is the mechanical and dynamical characterization of cementitious components, using atomistic models to understand the properties of this complex system. Density Functional Theory (DFT) was employed as a tool for atomic-level analysis, allowing an in-depth investigation of the structural and electronic properties of the materials, despite the high computational cost associated with such complex systems. Parallel computing was essential for performing the calculations, as it enabled multiple simulations to be executed simultaneously on different processors. This approach significantly reduced the time required to obtain results, mitigating the limitations imposed by computational time. Thus, it was possible to study the dynamic and mechanical aspects of the main oxides constituting the clinker, which is the primary component of Portland cement: C3S, C2S, C3A, and C4AF, in addition to an initial study of clinker hydration, resulting in the formation of calcium silicate hydrate (C-S-H). The main results include the generation of Raman spectra and the analysis of the evolution of the elastic tensor and the associated mechanical properties under different external stimuli (pressure, strain, and temperature). In the study of clinker, special attention was given to the evaluation of the dynamic and mechanical stability of the many proposed polymorphic forms of the most abundant oxide: C3S. Specifically, five different crystalline models of C3S were analyzed, of which only two were found to be dynamically stable. The mechanical response of C3S was further examined as a function of temperature through a quasi-harmonic description. For C-S-H, a model based on the mineral tobermorite was adopted and considered appropriate, given the high agreement between the theoretical and experimental spectra. Different Ca/Si ratios were explored to find the one that best matched the experimental spectrum of C-S-H. The use of Qn species (related to the formation of bridges between oxygen atoms of silicon tetrahedra) in the evaluation of the bands was essential for the confirmation of the models. Although the individual spectra at different Ca/Si ratios showed only partial agreement with the experimental spectrum of C-S-H, the combination of the calculated Raman spectra resulted in a "synthetic" spectrum with remarkable agreement with the experimental spectrum. This result is significant, especially considering the complexities of including water molecules in the structure, which could challenge the harmonic approximation used. Thus, the presented models prove to be capable of reliably reproducing experimental data and have the potential to predict new properties, thereby can be used to support decisions and technological advances related to sustainable development. |
Palavras-chave: | Cimento Propriedades mecânicas Teoria do funcional da densidade Cement Clinker Calcium silicates hydrates Mechanical properties Thermal expansion Density functional theory |
CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Editor: | Universidade Federal da Paraíba |
Sigla da Instituição: | UFPB |
Departamento: | Engenharia de Materiais |
Programa: | Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais |
Tipo de Acesso: | Acesso aberto Attribution-NoDerivs 3.0 Brazil |
URI: | http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/ |
URI: | https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/34146 |
Data do documento: | 9-Set-2024 |
Aparece nas coleções: | Centro de Tecnologia (CT) - Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais |
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