O efeito da dopagem com ZnO, MgO e TiO2 no polimorfismo e reatividade do silicato tricálcico (C3S)

Abstract

O silicato tricálcico (C3S) é o principal composto do clínquer Portland e responsável pelas resistências iniciais do cimento. Trata-se de uma solução sólida que apresenta sete polimorfos dividido em três sistemas cristalinos, sendo estes: triclínico (T1, T2 e T3), monoclínico (M1, M2 e M3) e romboédrico (R). Por serem metaestáveis, é recorrente o uso de dopantes na síntese do C3S, visto que sua incorporação promove mudança na estrutura cristalina e a estabilização de um ou mais polimorfos na mesma fase, além de mudança nas propriedades finais. Dessa forma, esta tese teve por objetivo avaliar o efeito da dopagem na reatividade do C3S, utilizando individualmente ZnO, MgO e TiO2 e analisando suas propriedades no estado anidro e hidratado. Foram feitas considerações termodinâmicas com base na Teoria de Thomson. Experimentalmente foram produzidas fases pura e dopadas nos teores de 0, 0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 4,0, 8,0 e 10,0%. Foram realizados ensaios exploratórios, para o estado anidro: granulometria à laser, área superficial específica pelo método BET, difratometria de raios X, espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e espectroscopia Raman. E, em estado hidratado, foram produzidas pastas e realizados os ensaios de calorimetria isotérmica e análise termodiferencial (DTG). Os resultados indicaram que a técnica de dopagem promoveu a estabilização dos polimorfos T3, M1, M3 e R. Na hidratação, foi observado que o processo é afetado diretamente pelo tipo e teor de dopante. O C3S dopado com MgO apresentou um desempenho melhor quando analisados os períodos de indução e aceleração; o C3S dopado com ZnO promoveu um retardo na hidratação e o C3S dopado com TiO2 resultou em um desempenho inferior, tanto no período de indução, quanto no período de aceleração, quando comparado aos demais dopantes. Ao analisar o efeito dos íons dopantes da estrutura do C3S durante o processo de hidratação, foi evidenciado o efeito catálise dos mesmos, indicando que a reatividade do C3S não está ligada diretamente ao polimorfo estabilizado e sim ao efeito dos elementos menores.

Tricalcium silicate (C3S) is the main compound in Portland clinker and is responsible for the initial strength of cement. It is a solid solution that has seven polymorphs divided into three crystalline systems, namely: triclinic (T1, T2, and T3), monoclinic (M1, M2, and M3), and rhombohedral (R). Because they are metastable, dopants are commonly used in the synthesis of C3S, since their incorporation promotes changes in the crystalline structure, stabilization of one or more polymorphs in the same phase, and changes in the final properties. Thus, this thesis aimed to evaluate the effect of doping on the reactivity of C3S, using ZnO, MgO, and TiO2 individually, and analyzing their properties in the anhydrous and hydrated states. Thermodynamic considerations were made based on Thomson's Theory. Pure and doped phases were experimentally produced at concentrations of 0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 4.0, 8.0, and 10.0%. Exploratory tests were performed for the anhydrous state: laser particle size analysis, specific surface area by the BET method, X-ray diffraction, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and Raman spectroscopy. Pastes were produced in the hydrated state, and isothermal calorimetry and differential thermal analysis (DTG) tests were performed. The results indicated that the doping technique promoted the stabilization of the T3, M1, M3, and R polymorphs. In hydration, it was observed that the process is directly affected by the type and content of the dopant. MgO-doped C3S performed better when analyzing the induction and acceleration periods; ZnO-doped C3S promoted a delay in hydration, and TiO2-doped C3S resulted in inferior performance, both in the induction period and in the acceleration period, when compared to the other dopants. When analyzing the effect of the doping ions on the C3S structure during the hydration process, their catalysis effect was evident, indicating that the reactivity of C3S is not directly linked to the stabilized polymorph but rather to the effect of the minor elements.