Divisão de Engenharia Civil Ano: 2019
(Turma 2019, TGs 2019)
Estudo de Propriedades Mecânicas do Cimento a Partir de Cálculos Ab Initio (pdf 3,21 MB)
Autor: Fernando Frota Junior
Orientador(es): Ivan Guilhon Mitoso Rocha
Relator(es): João Claudio Bassan de Moraes
Ano: 2019
Resumo:
Conhecido por sua alta durabilidade e capacidade resistiva quando em contato com água, o cimento e um dos materiais mais importantes para a história da humanidade e para o desenvolvimento das sociedades modernas. No entanto, pouco se sabe sobre as características desse material a nível atômico, tampouco sobre os mecanismos que lhe fornecem as propriedades mecânicas tão uteis a construção civil. Nesse contexto, grandes esforços têm sido dispendidos pela comunidade científica a fim de aprofundar a compreensão desse material em uma escala microscópica.Nas ultimas décadas o desenvolvimento de novas teorias e o aumento da capacidade computacional disponível vem expandindo o horizonte de possibilidades de sistemas físicos que podem ser explorados por simulações quânticas ab initio, fundamentadas na teoria quântica. A Teoria do Funcional da Densidade (DFT, do inglês Density Funcional Theory) consiste em um dos métodos ab initio mais populares e pode ser aplicado em diversos materiais. Essa teoria permite realizar cálculos de estrutura eletrônica a partir dos quais podem-se extrair diversas propriedades físicas microscópicas de macroscópicas de átomos, moléculas e materiais. Neste trabalho apresentamos uma metodologia baseada na DFT para o cálculo do tensor de elasticidade de materiais cristalinos e aplicamo-la a dois componentes de grande importância do cimento anidro: o silicato tricálcico ((CaO)3 SiO2) e o aluminato tricálcico ((CaO)3 Al2O3). A partir das entradas desse tensor, podem ser obtidos diferentes parâmetros de elasticidade do material, como o módulo de compressibilidade, módulo de cisalhamento, módulo de Young e o módulo de Poisson. São também investigadas propriedades estruturais dos compostos como parâmetros de rede e distâncias de ligação. Os resultados obtidos são comparados com outros estudos, te orico e experimentais, sempre que possível. Abstract:
Known for its high durability and resistive capacity when in contact with water, cement is one of the most important materials in human history and in the development of modern societies. However, little is known about this material's characteristics at atomic level, or about the mechanisms that provide mechanical properties that are so useful to construction. In this context, great e orts have been expended by the scienti c community in order to deepen our comprehension of this material on a microscopic scale. In the last decades the development of new theories and the increase of available computational capacity have been expanding the horizon of possibilities of physical systems that can be explored by ab initio quantum simulations, based on quantum theory. Density Functional Theory (DFT) is one of the most popular ab initio methods and can be applied to many materials. This theory allows for calculations of electronic structure from which various microscopic and macroscopic physical properties of atoms, molecules and materials can be extracted. In this work we present a DFT-based methodology for the calculation of the elasticity tensor of crystalline materials and apply it to two important components of anhydrous cement: tricalcium silicate ((CaO)3 SiO2) and tricalcium aluminate ((CaO)3 Al2O3). From this tensor's components, di erent elasticity parameters from the material can be obtained, such as the bulk modulus, shear modulus, Young modulus and Poisson's ratio. Structural properties of the compounds such as network parameters and bonding distances are also investigated. The results obtained are compared with other theoretical and experimental studies whenever possible.
