Mechanisms of cement hydration

Bullard, Jeffrey W.; Jennings, Hamlin M.; Livingston, Richard A.; Nonat, André; Scherer, George W.; Schweitzer, Jeffrey S.; Scrivener, Karen; Thomas, Jeffrey J.

doi:10.1016/j.cemconres.2010.09.011

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“…5,10 A wide array of characterization techniques has thus been applied to cement phases, for example, X-ray diffraction (XRD), small angle neutron scattering (SANS), in situ imaging by transmission electron microscopy (TEM), atomic force microscopy (AFM) and nanoindentation, zeta potential measurements, nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), infrared (IR), and Raman spectroscopy. [11][12][13][14][15][16][17][18] In addition, models and simulations have been developed to enhance understanding and materials design. 8,10,[19][20][21][22][23][24][25][26][27][28][29][30] Such approaches include electronic structure calculations, molecular dynamics, Monte Carlo, and continuum methods, as well as multi-scale combinations of methods.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

A force field for tricalcium aluminate to characterize surface properties, initial hydration, and organically modified interfaces in atomic resolution

et al. 2014

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Tricalcium aluminate (C 3 A) is a major phase of Portland cement clinker and some dental root filling cements. An accurate all-atom force field is introduced to examine structural, surface, and hydration properties as well as organic interfaces to overcome challenges using current laboratory instrumentation. Molecular dynamics simulation demonstrates excellent agreement of computed structural, thermal, mechanical, and surface properties with available experimental data. The parameters are integrated into multiple potential energy expressions, including the PCFF, CVFF, CHARMM, AMBER, OPLS, and INTERFACE force fields. This choice enables the simulation of a wide range of inorganic-organic interfaces at the 1 to 100 nm scale at a million times lower computational cost than DFT methods. Molecular models of dry and partially hydrated surfaces are introduced to examine cleavage, agglomeration, and the role of adsorbed organic molecules. Cleavage of crystalline tricalcium aluminate requires approximately 1300 mJ m −2 and superficial hydration introduces an amorphous calcium hydroxide surface layer that reduces the agglomeration energy from approximately 850 mJ m −2 to 500 mJ m −2 , as well as to lower values upon surface displacement. The adsorption of several alcohols and amines was examined to understand their role as grinding aids and as hydration modifiers in cement. The molecules mitigate local electric fields through complexation of calcium ions, hydrogen bonds, and introduction of hydrophobicity upon binding. Molecularly thin layers of about 0.5 nm thickness reduce agglomeration energies to between 100 and 30 mJ m −2 . Molecule-specific trends were found to be similar for tricalcium aluminate and tricalcium silicate. The models allow quantitative predictions and are a starting point to provide fundamental understanding of the role of C 3 A and organic additives in cement. Extensions to impure phases and advanced hydration stages are feasible.

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Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

A force field for tricalcium aluminate to characterize surface properties, initial hydration, and organically modified interfaces in atomic resolution

et al. 2014

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“…Como mencionado anteriormente, a alta complexidade destas etapas faz com que não haja na literatura um consenso sobre a exata evolução no desenvolvimento da hidratação (10,13,14).…”

Section: Fenômeno Da Hidrataçãounclassified

“…As pastas de cimento comportam-se como um "organismo vivo" devido à hidratação do cimento, produtos como etringita, portlandita e C-S-H (Calcium Silicate Hydrate) são criados, modificando a estrutura da pasta ao longo do tempo (10,13,14). Dessa forma, o dado reológico deve ser coletado antes do processo de cura assumir um papel relevante no sistema.…”

Section: Na Indústria Do Petróleo O Procedimento Api (American Petrounclassified

“…Para tal tarefa, a curva de escoamento da Fig. 3.11 é reescrita em termos da fluidez de equilíbrio por meio da equação (5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18) , sendo H a função de Heaviside eγ 1 uma taxa de deformação característica, correspondendo aproximadamente ao início da região power-law na curva de escoamento.…”

Section: Curva De Escoamento Da Fluidezunclassified

“…As pastas de cimento além da tixotropia, exibem uma transição liquido-sólido, conhecido como setting, responsável pelo início do processo de cura, macroscopicamente verificado como um aumento progressivo da viscosidade da pasta ou diminuição da fluidez, causado pela reação química de hidratação (10,13,14). Dessa maneira, este tipo de fluido tem sua estrutura alterada ao longo do tempo, seja pelo processo de tixotropia ou pela irreversibilidade.…”

Section: 210unclassified

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Um Modelo Constitutivo Fenomenológico Irreversível Para Descrição Reológica De Pastas De Cimento

RODRIGUES¹

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Ao meu orientador Paulo Roberto de Souza Mendes pela honra de desenvolver pesquisa em nível internacional ao seu lado, pelo acompanhamento desse trabalho, especialmente pelos valiosos ensinamentos, discussões e a oportunidade de aprimorar meus conhecimentos.A Flávio H. Marchesini por me inserir no mundo da Reologia e Rafael M. Oliveira pelas muitas discussões físicas e numéricas.Aos professores do Departamento de Engenharia Mecânica pelos cursos ministrados.Aos colegas do Greo (Grupo de Reologia) pela troca de experiência, discussões e pelos momentos espirituosos que tornaram esse trabalho menos árduo, em particular a Bruno Fonseca, Behbood Abedi, Eliana Marin, Luiz Sica, Paulo Henrique, Pedro Tobar, Priscilla Varges, Ricardo Leite, Aline Abdu, Roberta Kamei e William Candela.À Carina Beline pela ajuda nos trâmites administrativos necessários para conclusão dessa tese.A Petrobras, CAPES e à PUC-Rio, pelos auxílios concedidos, sem os quais esse trabalho não poderia ter sido desenvolvido.À minha esposa Gabriela, fundamental nessa etapa da minha vida. Obrigado por me ajudar a ultrapassar os obstáculos que enfrentei, pela compreensão, cumplicidade, carinho e apoio ao longo de todo esse tempo. Te amo.À minha mãe, pela resiliência que a vida lhe impôs, me permitindo chegar até aqui, obrigado por ser quem é e pelo amor incondicional. Te amo. A performance de protocolos geralmente empregados na caracterização reológica de pastas de cimento é investigada. Para este fim duas pastas de cimento foram utilizadas, Pasta A e Pasta B, com a mesma densidade e razão água-cimento, diferindo quanto aos aditivos empregados. O procedimento API (American Petroleum Institute), tal qual, sua modificação é estudada. Curvas de escoamento são determinadas com o auxílio de um reômetro rotacional através de três diferentes métodos (ramp up/ramp down, ramp down e viscosidade mínima). O procedimento API gerou curvas de escoamento que superestimaram (Pasta A) ou subestimaram (Pasta B) a viscosidade dentro da faixa de cisalhamento estudada. Os desvios tornam-se particulamente maiores em baixas taxas, e para Pasta B, por causa de efeitos tixotrópicos, o regime permanente não é atingido. A modificação do protocolo API investigada resultou em curvas de escoamento similares ao método de viscosidade mínima. Um novo modelo constitutivo fenomenológico irreversível é proposto para descrição reológica de pastas de cimento (voltadas para poços de petróleo) sob escoamento de cisalhamento simples. Para esse objetivo uma série de experimentos foram realizados, como taxa de deformação constante, construção e destruição da microestrutura. O modelo proposto utiliza a própria fluidez, recíproca da viscosidade, para descrever a evolução da estrutura da pasta. O efeito macroscópico do fenômeno de hidratação na reologia é introduzido por meio de uma função exponencial para tensão limite de escoamento. Todos os dez parâmetros necessários no modelo são experimentalmente obtíveis. Os resultados mostraram boa concordância entre os dados experimentais e a modelagem, emb...

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