Thermal Properties of Cement-based Composites

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Publicada em 22/11/2019

Discente: Júlia Castro Mendes

Resumo:

A transferência de calor através de um elemento construtivo sólido é controlada principalmente pela sua condutividade térmica no estado estacionário e por uma associação de condutividade térmica e calor específico em situações transientes. A condutividade térmica dos materiais de construção é um dos principais fatores responsáveis pela habitabilidade e demanda energética de uma edificação. Dessa forma, o presente trabalho investiga como a composição química, as propriedades físicas e a microestrutura influenciam as propriedades térmicas (calor específico e condutividade térmica) de matrizes cimentícias. Para este fim, foram investigados três traços de argamassa com cimento e cal hidratada (1:3, 1:1:6 e 1:2:9); três tipos de agregados (areia de rio, rejeito de barragem de minério de ferro e quartzito friável); e três dosagens de aditivo incorporador de ar (0%, 0.05% e 0.5%). Inicialmente foi realizada a caracterização química e física dos agregados, além da avaliação física, térmica e morfológica das matrizes resultantes. Por fim, a correlação entre a condutividade térmica e a velocidade de pulso ultrassônico (UPV) também foi investigada. Como resultado, argamassas com rejeito de barragem de minério de ferro (IOTm) apresentaram a menor condutividade térmica e o maior calor específico entre todos os materiais testados. O aditivo incorporador de ar reduziu a condutividade térmica das argamassas em até 40%, mas não influenciou significativamente o calor específico delas. Foi observado que a microestrutura da matriz é mais relevante para as propriedades térmicas das argamassas do que a composição química de seus componentes. Ainda, o sistema de poros gerado pelos agregados é mais correlacionado com as condutividades térmicas e UPVs das argamassas do que sua massa específica aparente. Um coeficiente de determinação satisfatório (R² > 0.9) foi obtido entre a condutividade térmica e a UPV das argamassas quando estas foram agrupadas em matérias-primas e estruturas de poros similares. Esses resultados demonstram a importância de se usar metodologias que mantem praticamente intacta a microestrutura das matrizes. Com base nas propriedades térmicas obtidas, as argamassas à base de resíduos são alternativas promissoras para melhorar a eficiência energética dos edifícios. Em conclusão, este trabalho espera contribuir para o desenvolvimento tecnológico e sustentável de matrizes cimentícias.

Abstract:

Heat transfer through a solid building element is primarily controlled by its thermal conductivity in the steady-state, and by an association of thermal conductivity and specific heat in transient situations. The thermal properties of the construction materials are some of the main responsible factors for the habitability and energy demand of a building. Therefore, the present work assesses how the chemical composition, physical properties and microstructure influence the thermal properties (specific heat and thermal conductivity) of cement-based composites. For this purpose, we investigated three mortar mixes with cement and hydrated lime (1:3, 1:1:6 and 1:2:9); three types of aggregates (river sand, iron ore tailings, friable quartzite); and three dosages of air-entraining admixture (0%, 0.05% and 0.5%). Physical and chemical characterisation of the aggregates were performed; along with physical, thermal and microstructural evaluation of the resulting mortars. Lastly, the correlation between thermal conductivity and ultrasonic pulse velocity (UPV) was also investigated. As result, mortars with iron ore tailings (IOTm) presented the lowest thermal conductivity and highest specific heat among all materials tested. The air-entraining admixture reduced the thermal conductivity of the mortars up to 40% but did not significantly influenced the specific heat. It was observed that the microstructure of the resulting matrix is more relevant to the thermal properties of mortars than the chemical composition of their components. Also, the pore system generated by the aggregates in the mortars is more influential to their thermal conductivity and UPV than their specific gravity. A satisfactory determination coefficient (R² > 0.9) was obtained between thermal conductivity and UPV of the mortars when they were grouped under similar components and pore structure. These results demonstrate the importance of using methodologies that keep the microstructure of the matrices mostly intact. Based on the thermal properties obtained, residue-based mortars are promising alternatives to improve the energy efficiency of buildings. In conclusion, this work hopes to contribute to the technological and sustainable development of cement-based composites. Keywords: Thermal conductivity; Specific heat; Pore System; Reuse of solid residues; Building performance

Palavras-chave:

Condutividade Térmica; Calor Específico; Matrizes Cimentícias Não-Convencionais; Tecnologia dos materiais; Desempenho de edificações

Áreas de Concentração:

- Doutorado: Estruturas e Construção

Orientadores:

- Ricardo André Fiorotti Peixoto

Banca Examinadora:

Prof. Ricardo André Fiorotti Peixoto (UFOP, Presidente)
Prof. Guilherme Jorge Brigolini Silva (UFOP)
Prof. José Maria Carvalho (UFV)
Prof. Fernando Baêta (UFV)
Profa. Maria Teresa Aguilar (UFMG)

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