Kinetic and Thermodynamic Study in Pozzolanic Chemical Systems as an Alternative for Chapelle Test
Creators
- 1. Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Description
Important properties in cementitious materials, such as concrete, are related to the presence of additives that influence the rigidity and the physical and chemical resistances. For the evaluation of the additive effectiveness, known as pozzolanic activity, a simple procedure, the Chapelle test, is commonly used, and it essentially consists in a reaction between the additive with calcium oxide in aqueous medium. However, such procedure presents limitations in terms of processing time and lack of information regarding the reactions kinetics. In this sense, a simple method based on the kinetic and thermodynamic principles of chemical reactions is proposed, which can be performed using conventional electronic pH sensors. The study provides an alternative methodology with many advantages over the traditional procedure, such as energy and time-savings, more robustness and more confidence. In this paper, three types of silica nanoparticles that can be used as low-cost additives were characterized in relation to their morphology and crystallinity by XRD and SEM, the particles average diameters were obtained and the particles were used for studying the chemical process that takes place during the Chapelle test. Results and the semi-empirical analysis provided strong evidence that the process is an acid-base 1:1 reaction and it was verified that the mean reaction times varied from 64 to 195 min. It is a remarkable result, since the proposed analysis can be performed with simple, fast and low-cost instrumentation and needs only a worksheet software, whereas the Chapelle test takes 16 hours and provides no dynamic information. Besides the limitation that the methodology is not able to quantify and to elucidate the effects of the specific surface area of the particles, which needs a complete BET study, the research provides a significant contribution for the understanding of the pozzolanic process, of great importance in both concrete and ceramic research.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
ترتبط الخصائص المهمة في المواد الأسمنتية، مثل الخرسانة، بوجود إضافات تؤثر على الصلابة والمقاومة الفيزيائية والكيميائية. لتقييم الفعالية المضافة، والمعروفة باسم النشاط البوزولاني، يتم استخدام إجراء بسيط، وهو اختبار شابيل، بشكل شائع، ويتكون بشكل أساسي من تفاعل بين المادة المضافة مع أكسيد الكالسيوم في الوسط المائي. ومع ذلك، فإن هذا الإجراء يمثل قيودًا من حيث وقت المعالجة ونقص المعلومات المتعلقة بحركية التفاعلات. وبهذا المعنى، يتم اقتراح طريقة بسيطة تعتمد على المبادئ الحركية والديناميكية الحرارية للتفاعلات الكيميائية، والتي يمكن إجراؤها باستخدام مستشعرات درجة الحموضة الإلكترونية التقليدية. توفر الدراسة منهجية بديلة مع العديد من المزايا على الإجراء التقليدي، مثل توفير الطاقة والوقت، والمزيد من المتانة والمزيد من الثقة. في هذه الورقة، تم تمييز ثلاثة أنواع من جسيمات السيليكا النانوية التي يمكن استخدامها كإضافات منخفضة التكلفة فيما يتعلق بمورفولوجيتها وبلورتها بواسطة XRD و SEM، وتم الحصول على متوسط أقطار الجسيمات وتم استخدام الجسيمات لدراسة العملية الكيميائية التي تحدث أثناء اختبار شابيل. قدمت النتائج والتحليل شبه التجريبي دليلًا قويًا على أن العملية عبارة عن تفاعل حمضي قاعدي 1:1 وتم التحقق من أن متوسط أوقات التفاعل تراوح من 64 إلى 195 دقيقة. إنها نتيجة رائعة، حيث يمكن إجراء التحليل المقترح باستخدام أجهزة بسيطة وسريعة ومنخفضة التكلفة ولا يحتاج إلا إلى برنامج ورقة عمل، في حين أن اختبار شابيل يستغرق 16 ساعة ولا يوفر أي معلومات ديناميكية. إلى جانب القيد المتمثل في أن المنهجية غير قادرة على تحديد وتوضيح تأثيرات المساحة السطحية المحددة للجسيمات، والتي تحتاج إلى دراسة BET كاملة، يقدم البحث مساهمة كبيرة لفهم العملية البوزولانية، ذات الأهمية الكبيرة في كل من أبحاث الخرسانة والسيراميك.Translated Description (French)
Les propriétés importantes des matériaux cimentaires, tels que le béton, sont liées à la présence d'additifs qui influencent la rigidité et les résistances physiques et chimiques. Pour l'évaluation de l'efficacité additive, connue sous le nom d'activité pouzzolanique, une procédure simple, le test de Chapelle, est couramment utilisée, et elle consiste essentiellement en une réaction entre l'additif et l'oxyde de calcium en milieu aqueux. Cependant, une telle procédure présente des limitations en termes de temps de traitement et de manque d'informations concernant la cinétique des réactions. En ce sens, une méthode simple basée sur les principes cinétiques et thermodynamiques des réactions chimiques est proposée, qui peut être réalisée à l'aide de capteurs de pH électroniques conventionnels. L'étude fournit une méthodologie alternative avec de nombreux avantages par rapport à la procédure traditionnelle, tels que des économies d'énergie et de temps, plus de robustesse et plus de confiance. Dans cet article, trois types de nanoparticules de silice pouvant être utilisées comme additifs à faible coût ont été caractérisés en fonction de leur morphologie et de leur cristallinité par DRX et MEB, les diamètres moyens des particules ont été obtenus et les particules ont été utilisées pour étudier le processus chimique qui a lieu lors du test de Chapelle. Les résultats et l'analyse semi-empirique ont fourni des preuves solides que le processus est une réaction acide-base 1:1 et il a été vérifié que les temps de réaction moyens variaient de 64 à 195 min. C'est un résultat remarquable, car l'analyse proposée peut être réalisée avec une instrumentation simple, rapide et peu coûteuse et ne nécessite qu'un logiciel de feuille de calcul, alors que le test de Chapelle prend 16 heures et ne fournit aucune information dynamique. Outre la limitation que la méthodologie n'est pas en mesure de quantifier et d'élucider les effets de la surface spécifique des particules, qui nécessite une étude BET complète, la recherche apporte une contribution significative à la compréhension du processus pouzzolanique, d'une grande importance à la fois dans la recherche sur le béton et la céramique.Translated Description (Spanish)
Las propiedades importantes en materiales cementosos, como el hormigón, están relacionadas con la presencia de aditivos que influyen en la rigidez y las resistencias físicas y químicas. Para la evaluación de la efectividad del aditivo, conocida como actividad puzolánica, se utiliza comúnmente un procedimiento simple, la prueba de Chapelle, y consiste esencialmente en una reacción entre el aditivo con óxido de calcio en medio acuoso. Sin embargo, dicho procedimiento presenta limitaciones en términos de tiempo de procesamiento y falta de información con respecto a la cinética de las reacciones. En este sentido, se propone un método sencillo basado en los principios cinéticos y termodinámicos de las reacciones químicas, que puede realizarse utilizando sensores de pH electrónicos convencionales. El estudio proporciona una metodología alternativa con muchas ventajas sobre el procedimiento tradicional, como ahorro de energía y tiempo, más robustez y más confianza. En este trabajo se caracterizaron tres tipos de nanopartículas de sílice que se pueden utilizar como aditivos de bajo coste en relación a su morfología y cristalinidad mediante XRD y SEM, se obtuvieron los diámetros medios de las partículas y se utilizaron las partículas para estudiar el proceso químico que tiene lugar durante el ensayo Chapelle. Los resultados y el análisis semi-empírico proporcionaron una fuerte evidencia de que el proceso es una reacción ácido-base 1:1 y se verificó que los tiempos medios de reacción variaron de 64 a 195 min. Es un resultado notable, ya que el análisis propuesto se puede realizar con instrumentación simple, rápida y de bajo costo y solo necesita un software de hoja de trabajo, mientras que la prueba Chapelle dura 16 horas y no proporciona información dinámica. Además de la limitación de que la metodología no es capaz de cuantificar y dilucidar los efectos de la superficie específica de las partículas, que necesita un estudio BET completo, la investigación aporta una contribución significativa para la comprensión del proceso puzolánico, de gran importancia tanto en la investigación del hormigón como en la cerámica.Files
1516-1439-mr-21-04-e20180131.pdf.pdf
Files
(3.3 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:47df27912f03626c288db84cbfc34040
|
3.3 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- دراسة حركية وديناميكية حرارية في الأنظمة الكيميائية البوزولانية كبديل لاختبار شابيل
- Translated title (French)
- Étude cinétique et thermodynamique dans les systèmes chimiques pouzzolaniques comme alternative au test de la chapelle
- Translated title (Spanish)
- Estudio cinético y termodinámico en sistemas químicos puzolánicos como alternativa a la prueba de Chapelle
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2810985699
- DOI
- 10.1590/1980-5373-mr-2018-0131
References
- https://openalex.org/W1963796921
- https://openalex.org/W1995710183
- https://openalex.org/W1996880539
- https://openalex.org/W1997776590
- https://openalex.org/W1997958155
- https://openalex.org/W2020845713
- https://openalex.org/W2020950505
- https://openalex.org/W2028010755
- https://openalex.org/W2028177377
- https://openalex.org/W2045064685
- https://openalex.org/W2080005302
- https://openalex.org/W2137062842
- https://openalex.org/W2146533429
- https://openalex.org/W2158660715
- https://openalex.org/W2324282627