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INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
TATIANA BORGES SKAF
INFLUÊNCIA DE MATÉRIAS-PRIMAS NA MICROESTRUTURA E RESISTÊNCIA DE COMPÓSITOS GEOPOLIMÉRICOS
Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciência dos Materiais do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção de título de Mestre em Ciência dos Materiais.
Orientadores: Prof. Clelio Thaumaturgo - D.C. Prof. Felipe José da Silva – D.C.
Rio de Janeiro
2008
2
C2008
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
Praça General Tibúrcio, 80 – Praia Vermelha
Rio de Janeiro - RJ CEP: 22290-270
Este exemplar é de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poderá incluí-lo em
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seja feita a referência bibliográfica completa.
Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es) e do(s)
orientador(es).
S626i Skaf, Tatiana Borges Influência de Matérias-Primas na Microestrutura e Resistência de Compósitos Geopoliméricos / Tatiana Borges Skaf. - Rio de Janeiro: Instituto Militar de Engenharia, 2008.
118p.:il., graf., tab. Dissertação (mestrado) - Instituto Militar de Engenharia – Rio de Janeiro, 2008. 1. Compósitos geopoliméricos - avaliação 2. Comportamento Mecânico 3. Análise microestrutural I. Título II. Instituto Militar de Engenharia
CDD 693.5
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INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
TATIANA BORGES SKAF
INFLUÊNCIA DE MATÉRIAS-PRIMAS NA MICROESTRUTURA E RESISTÊNCIA DE COMPÓSITOS GEOPOLIMÉRICOS
Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Ciência dos Materiais do Instituto Militar de Engenharia.
Orientadores: Clelio Thaumaturgo - D.C. Felipe José da Silva – D.C.
Aprovada em 28 de Março de 2008 pela seguinte Banca Examinadora:
_______________________________________________________________
Prof. Clelio Thaumaturgo – D.C. do IME - Presidente
_______________________________________________________________
Prof. Felipe José da Silva - D.C. do IME
_______________________________________________________________
Prof. Cel. Luis Henrique Leme Louro – Ph.D. do IME
_______________________________________________________________
Prof. Maj. Eduardo de Sousa Lima – D.C. do IME
_______________________________________________________________
Prof. Maj. Luiz Antonio Vieira Carneiro – D.C. do IME
_______________________________________________________________
Prof. Elie Chahdan Mounzer – D.C. da UNIPLI
Rio de Janeiro
2008
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Esta dissertação é dedicada à minha família e a todos
que me ajudaram nesta conquista.
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AGRADECIMENTOS
A Deus, por Seu imenso amor e misericórdia.
Aos meus pais, Tamara e João, por me conduzirem sempre no melhor caminho – pela boa educação, pelos ensinamentos de vida, pela presença segura, pelos inúmeros esforços e sacrifícios, pelo amor ilimitado. Ao Professor Clelio Thaumaturgo, por liderar esta etapa de minha formação profissional e principalmente pessoal, agregando-me, através do conhecimento e da ciência, valores eternos. Ao Professor Felipe José da Silva, pela participação fundamental no alcance destes ideais, orientando-me, junto ao Professor Clelio, com grande carinho e dedicação. Aos técnicos, Eduardo e Júnior, pela enorme ajuda na realização da parte experimental deste trabalho e pelas observações na interpretação dos resultados. Aos meus irmãos, João e Thiago e as minhas cunhadas, Carol e Candy. Amo vocês. À minha querida sobrinha Ana Clara, pelos sábios conselhos! Aos meus avós, Lídia e João, pelos exemplos de fé e vitória. Aos meus padrinhos, tio Tasso e tia Eliana, pelo apoio constante. A toda equipe de Professores e Funcionários do Instituto Militar de Engenharia que o fazem tão acolhedor e Escola de reconhecida excelência. Aos amigos do IME, Rodrigo Félix e Claudinha. À amiga Tatiana Potrich. Muito obrigada. Ao Major Pinto, coordenador do curso, pelo acolhimento fraterno. A SE-2, pela generosidade e apoio, disponibilizando-me o uso de seu laboratório. Ao Professor Luis Henrique Leme Louro e ao Carlos Roberto, pelo apoio no uso do Laboratório de Cerâmica. Ao Centro de Tecnologia Mineral (CETEM) e à Professora Maria Inês do Instituto de Macromoléculas pela importante colaboração nas análises microestruturais. Ao Dr.Gilson Marini, pelo carinho e profissionalismo.
6
SUMÁRIO
LISTA DE ILUSTRAÇÕES.................................................................................................. 8
LISTA DE TABELAS..........................................................................................................15
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS .....................................................................16
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................21
1.1 Objetivo .............................................................................................................22
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.........................................................................23
2.1 O geopolímero....................................................................................................23
2.2 Breve avaliação de matérias-primas para o geopolímero.....................................25
2.3 Caráter nanocristalino do geopolímero ...............................................................27
2.4 O cimento geopolimérico ...................................................................................28
2.5 Argamassas de cimento geopolimérico ...............................................................28
2.6 O concreto geopolimérico...................................................................................33
3 MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................53
3.1 Descrição dos materiais ......................................................................................55
3.1.1 Cimento geopolimérico ......................................................................................55
3.1.2 Agregados ..........................................................................................................63
3.2 Plano de experimentos........................................................................................64
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ......................................................................65
4.1 Concretos geopoliméricos – Resistência à Compressão ......................................65
4.2 Concretos geopoliméricos – Resistência à Tração por Compressão Diametral ....70
4.3 Concretos geopoliméricos – Abatimento do tronco de cone ................................73
4.4 Concretos geopoliméricos – Interface matriz-agregados .....................................75
4.5 Pastas geopoliméricas – Massas específìcas........................................................80
4.5.1 Pastas geopoliméricas – Reologia .......................................................................82
4.5.2 Pastas geopoliméricas – Análise Microestrutural ................................................84
4.5.3 Pastas geopoliméricas – Difração de Raios X .....................................................93
4.5.4 Pastas geopoliméricas – Análise Termogravimétrica (TGA) e Térmica Diferencial
(DTA) ................................................................................................................98
7
4.5.5 Pastas geopoliméricas – Análise por Infravermelho ..........................................107
4.5.6 Pastas geopoliméricas – Ressonância Magnética Nuclear (RMN).....................110
5 CONCLUSÕES ..............................................................................................113
6 RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS.............................114
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..........................................................115
8
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIG. 2.1 Representação esquemática dos polissialatos (DAVIDOVITS, J., 1994 apud SILVA,
F. J., 2000). ...........................................................................................................24
FIG. 2.2 Estrutura proposta para o polímero Na-polissialato (BARBOSA, V. F. F.,
THAUMATURGO, C., 2000). ..............................................................................24
FIG. 2.3 Fator de intensidade de tensão, KI, como uma função da extensão efetiva da trinca,
Δa, para os compósitos PC com volume de fibras = 0 – 3% (F.J. SILVA e
C.THAUMATURGO 2002)..................................................................................29
FIG. 2.4 Fator de intensidade de tensão, KI, como uma função da extensão efetiva da trinca,
Δa, para os compósitos de cimento PSS com volume de fibras de 0-5% (F.J. SILVA
e C.THAUMATURGO 2002). ..............................................................................30
FIG. 2.5 Micrografia (MEV) do compósito de cimento Portland, mostrando detalhes das
microfibras de wollastonita embebidas na porosidade inerente dos produtos de C-S-
H externos (F.J. SILVA e C.THAUMATURGO 2002). ........................................30
FIG. 2.6 Micrografia (MEV) do compósito de cimento PSS mostrando o arrancamento da
microfibra de wollastonita (F.J. SILVA e C.THAUMATURGO 2002)..................31
FIG. 2.7 Micrografias de MEV (elétrons secundários) da superfície de fratura dos compósitos
(a) de cimento Portland e (b) de cimento geopolimérico (500x) (OLIVEIRA 2005).
.............................................................................................................................31
FIG. 2.8 Curvas P x CMOD para a argamassa de cimento Portland para os diferentes volumes
de fibra (OLIVEIRA, 2005). .................................................................................32
FIG. 2.9 Curvas P x CMOD para a argamassa de cimento Geopolimérico para os diferentes
volumes de fibra (OLIVEIRA, 2005). ...................................................................32
FIG. 2.10 Resistência à compressão em função da extensão da trinca (THOMAZ, 2000)......34
FIG. 2.11 Módulo de Elasticidade (E) em função da resistência à compressão (fc) para os
concretos geopolimérico e Portland, contendo agregado de gnaisse britado
(THOMAZ, 2000).................................................................................................34
9
FIG. 2.12 Imagem por elétrons retro-espalhados do concreto geopolimérico mostrando a
interface do agregado graúdo com a matriz geopolimérica (650 X) (THOMAZ,
2000). ...................................................................................................................35
FIG. 2.13 Imagem por elétrons-retroespalhados do concreto geopolimérico mostrando a
interface do agregado fino com a matriz geopolimérica (180 X) (THOMAZ, 2000).
.............................................................................................................................35
FIG. 2.14 Mapeamento do elemento Cálcio por meio de raios-X. Não se observa concentração
de cálcio (Ca OH2) na zona da interface Areia x Matriz Geopolimérica. Largura do
campo = 2mm (THOMAZ, 2000)..........................................................................36
FIG. 2.15 Curvas tensão média de aderência dos concretos de cimento Portland e de cimento
geopolimérico em função do deslizamento relativo (DIAS, 2001). ........................36
FIG. 2.16 Micrografia (MEV) da zona de transição entre o aço e a pasta de cimento Portland
(DIAS, 2001). .......................................................................................................37
FIG. 2.17 Micrografia (MEV) da zona de transição entre o aço e a pasta de cimento
geopolimérico (DIAS, 2001). ................................................................................37
FIG. 2.18 Micrografia (MEV) da amostra com zero Molar de silicato solúvel, evidenciando a
interface porosa entre o agregado F (mica/argila) e o ligante (P) (LEE e
DEVENTER, 2003). .............................................................................................38
FIG. 2.19 Micrografia (MEV) da amostra com 2.5 Molares de silicato solúvel, evidenciando
uma interface mais “densa” entre o agregado F (mica/argila) e o ligante (P) (LEE e
DEVENTER, 2003). .............................................................................................38
FIG. 2.20 Efeito da temperatura de cura na resistência à compressão (HARDJITO et al.,
2004). ...................................................................................................................41
FIG. 2.21 Efeito do tempo de cura na resistência à compressão (HARDJITO et al., 2004). ...41
FIG. 2.22 Influência do superplastificante na resistência à compressão (HARDJITO et al.,
2004). ...................................................................................................................42
FIG. 2.23 Influência do tempo de “trabalhabilidade” na resistência à compressão (HARDJITO
et al., 2004). ..........................................................................................................42
FIG. 2.24 Efeito da razão água / sólidos na resistência à compressão do CCG (HARDJITO et
al., 2004)...............................................................................................................43
10
FIG. 2.25 Influência da idade na resistência à compressão do CCG (HARDJITO et al., 2004).
.............................................................................................................................44
FIG. 2.26 Retração à pega e deformação por Fluência para o CCG (HARDJITO et al., 2004).
.............................................................................................................................44
FIG. 2.27 Curvas típicas de deslocamento em função dos diferentes carregamentos impostos à
colunas (SUMAJOUW, HARDJITO, WALLAH e RANGAN, 2005). ..................46
FIG. 2.28 Carga versus deslocamento à meia altura para a série dos CG I (a) taxa de reforço
longitudinal = 1.47 % e (b) taxa de reforço longitudinal = 2.95% (SUMAJOUW,
HARDJITO, WALLAH e RANGAN, 2005). ........................................................46
FIG. 2.29 Carga versus deslocamento à meia altura para a série dos CG II (a) taxa de reforço
longitudinal = 1.47 % e (b) taxa de reforço longitudinal = 2.95% (SUMAJOUW,
HARDJITO, WALLAH e RANGAN, 2005). ........................................................47
FIG. 2.30 Coeficiente de fricção versus duração do ciclo de deslizamento (WANG, 2005). ..48
FIG. 2.31 Resistência à compressão do CCG após exposição à solução de ácido sulfúrico
(WALLAH e RANGAN, 2006).............................................................................49
FIG. 2.32 Mudança do peso unitário, com a idade, para o concreto geopolimérico curado
termicamente (WALLAH e RANGAN, 2006).......................................................50
FIG. 2.33 Evolução da resistência à fadiga, em diferentes idades para ambos os concretos
(SILVA, 2006). .....................................................................................................51
FIG. 3.1 Difratograma da cinza volante (Pozosul S.A.) indicando a presença de quartzo e
mulita....................................................................................................................56
FIG. 3.2 Espectro de infravermelho da cinza volante. ...........................................................57
FIG. 3.3 Difratograma do CP III-40 RS (Mizu S.A.) indicando a presença de calcita e larnita.
.............................................................................................................................58
FIG. 3.4 Espectro de infravermelho do CP III-40 RS. ...........................................................59
FIG. 3.5 Difratograma do metacaulim indicando a presença de caulinita e muscovita. ..........60
FIG. 3.6 Espectro de infravermelho do metacaulim...............................................................60
FIG. 3.7 Difratograma da microssílica revelando amorficidade do material. .........................62
11
FIG. 3.8 Espectro de infravermelho da microssílica. .............................................................62
FIG. 4.1 Resistência à compressão dos concretos geopoliméricos de formulação
bicomponente em função da idade e teor de cinza volante. ....................................66
FIG. 4.2 Resistência à compressão dos concretos geopoliméricos de formulação
monocomponente em função da idade e teor de cinza volante. ..............................67
FIG. 4.3 Resistência à tração indireta dos concretos geopoliméricos com formulação
bicomponente em função da composição e idade...................................................71
FIG. 4.4 Resistência à tração indireta dos concretos geopoliméricos com formulação
monocomponente em função da composição e idade.............................................72
FIG. 4.5 Micrografias mostrando a interface matriz-agregado dos concretos bicomponentes
contendo 0% de cinza volante: a) 24 horas; b) 28 dias. ..........................................76
FIG. 4.6 Micrografias mostrando a interface matriz-agregado dos concretos bicomponentes
contendo 25% de cinza volante: a) 24 horas; b) 28 dias. ........................................76
FIG. 4.7 Micrografias mostrando a interface matriz-agregado dos concretos bicomponentes
contendo 50% de cinza volante: a) 24 horas; b) 28 dias. ........................................77
FIG. 4.8 Micrografias mostrando a interface matriz-agregados dos concretos bicomponentes
contendo 75% de cinza volante: a) 24 horas; b) 28 dias .........................................77
FIG. 4.9 Micrografias mostrando a interface matriz-agregados dos concretos bicomponentes
contendo 100% de cinza volante: a) 24 horas; b) 28 dias .......................................78
FIG. 4.10 Micrografias mostrando a interface matriz-agregados dos concretos
monocomponentes contendo 0% de cinza volante: a) 24 horas; b) 28 dias .............78
FIG. 4.11 Micrografias mostrando a interface matriz-agregados dos concretos
monocomponentes contendo 25% de cinza volante: a) 24 horas; b) 28 dias ...........79
FIG. 4.12 Micrografias mostrando a interface matriz-agregados dos concretos
monocomponentes contendo 50% de cinza volante: a) 24 horas; b) 28 dias ...........79
FIG. 4.13 Micrografias mostrando a interface matriz-agregados dos concretos
monocomponentes contendo 75% de cinza volante: a) 24 horas; b) 28 dias ...........80
FIG. 4.14 Micrografias mostrando a interface matriz-agregados dos concretos
monocomponentes contendo 100% de cinza volante: a) 24 horas; b) 28 dias .........80
12
FIG. 4.15 Massa específica das pastas monocomponentes e bicomponentes na idade de 24
horas .....................................................................................................................81
FIG. 4.16 Massa específica das pastas monocomponentes e bicomponentes na idade de 28
dias .......................................................................................................................81
FIG. 4.17 Viscosidade plástica das pastas geopoliméricas de formulação bicomponente versus
teor de cinza volante em função do tempo de leitura..............................................83
FIG. 4.18 Limite de escoamento das pastas geopoliméricas de formulação bicomponente
versus teor de cinza volante em função do tempo de leitura...................................83
FIG. 4.19 Viscosidade plástica das pastas geopoliméricas de formulação monocomponete
versus teor de cinza volante em função do tempo de leitura...................................84
FIG. 4.20 Limite de escoamento das pastas geopoliméricas de formulação monocomponente
versus teor de cinza volante em função do tempo de leitura...................................84
FIG. 4.21 Micrografias (MEV) da pasta de formulação bicomponente com 25% de cinza
volante e idade de 28 dias, apresentando uma matriz compacta: a)aumento de 170x;
b)outra região da mesma amostra com aumento de 1500x .....................................85
FIG. 4.22 Micrografias (MEV) da pasta de formulação monocomponente com 25% de cinza
volante e idade de 28 dias, apresentando uma matriz porosa: a) aumento de 170x; b)
outra região da mesma amostra com aumento de 1500x ........................................85
FIG. 4.23 Partículas de cinza volante não reagidas observadas para a pasta de formulação
monocomponente, composta por 100% de cinza volante nas idades: a) 24 horas; b)
28 dias ..................................................................................................................86
FIG. 4.24 Partículas de metacaulim não reagido observadas para a pasta de formulação
bicomponente, composta por 100% de metacaulim nas idades: a) 24 horas; b) 28
dias .......................................................................................................................86
FIG. 4.25 Partícula de Portland não reagido observada para a pasta de formulação
bicomponente, composta por 100% de metacaulim, na idade de 24 horas ..............87
FIG. 4.26 Partículas de cinza volante não reagida encontradas na pasta de formulação
bicomponente, composta por 100% de cinza volante, nas idades de: a) 24 horas; b)
três dias; c) sete dias; d) 28 dias ............................................................................88
13
FIG. 4.27 Micrografias (MEV) para amostras bicomponentes com 24 horas de idade
compostas por: a) 100% de metacaulim; b) 100% de cinza volante .......................89
FIG. 4.28 Difratograma da pasta geopolimérica contendo 100% de metacaulim, de
formulação bicomponente e idade de 24 horas, indicando apenas a presença de
calcita, sem indicação da presença de caulinita. .....................................................94
FIG. 4.29 Difratograma da pasta geopolimérica contendo 50% de metacaulim e 50% de cinza
volante, de formulação bicomponente e idade de 24 horas, indicando a presença de
calcita e quartzo, sem indicação da presença de caulinita.......................................95
FIG. 4.30 Difratograma da pasta geopolimérica contendo 100% de metacaulim, de
formulação monocomponente e idade de 24 horas, indicando a presença de caulinita
.............................................................................................................................95
FIG. 4.31 Difratograma da pasta geopolimérica contendo 100% de metacaulim, de
formulação monocomponente e idade de 28 dias, indicando a presença de caulinita.
.............................................................................................................................96
FIG. 4.32 Difratograma da pasta geopolimérica contendo 50% de metacaulim, de formulação
monocomponente e idade de 28 dias, indicando a presença de caulinita ................97
FIG. 4.33 Difratograma da pasta composta por 100% de cinza volante, com 24 horas,
indicando a presença de mulita e quartzo...............................................................97
FIG. 4.34 Difratograma da pasta composta por 100% de cinza volante, com 28 dias, indicando
a presença de mulita e quartzo...............................................................................98
FIG. 4.35 Termograma da pasta geopolimérica com 0% de cinza volante, formulação
monocomponente e idade de 24 horas ...................................................................99
FIG. 4.36 Termograma da pasta geopolimérica com 50% de cinza volante, de formulação
monocomponente e idade de 24 horas .................................................................100
FIG. 4.37 Termograma da pasta geopolimérica com 100% de cinza volante, de formulação
monocomponente e idade de 28 dias ...................................................................100
FIG. 4.38 Termograma da pasta geopolimérica com 0% de cinza volante, de formulação
monocomponente e idade de 28 dias ...................................................................101
FIG. 4.39 Termograma da pasta geopolimérica com 50% de cinza volante, de formulação
monocomponente e idade de 28 dias ...................................................................101
14
FIG. 4.40 Termograma da pasta geopolimérica com 100% de cinza volante, de formulação
monocomponente e idade de 28 dias ...................................................................102
FIG. 4.41 Termograma da pasta geopolimérica com 0% de cinza volante, de formulação
bicomponente e idade de 24 horas.......................................................................102
FIG. 4.42 Termograma da pasta geopolimérica com 50% de cinza volante, de formulação
bicomponente e idade de 24 horas.......................................................................103
FIG. 4.43 Termograma da pasta geopolimérica com 100% de cinza volante, de formulação
bicomponente e idade de 24 horas.......................................................................103
FIG. 4.44 Termograma da pasta geopolimérica com 0% de cinza volante, de formulação
bicomponente e idade de 28 dias .........................................................................104
FIG. 4.45 Termograma da pasta geopolimérica com 50% de cinza volante, de formulação
bicomponente e idade de 28 dias .........................................................................104
FIG. 4.46 Termograma da pasta geopolimérica com 100% de cinza volante, de formulação
bicomponente e idade de 28 dias .........................................................................105
FIG. 4.47 Perda de massa para as pastas de formulação mocomponente versus composição (%
de cinza volante) em função da idade ..................................................................106
FIG. 4.48 Perda de massa para as pastas de formulação bicomponente verus composição (%
de cinza volante) em função da idade ..................................................................106
FIG. 4.49 Espectro de infravermelho das pastas bicomponentes, na idade de 24 horas,
compostas por: a) 0% de cinza volante; b) 50% de cinza volante; c) 100% de cinza
volante ................................................................................................................107
FIG. 4.50 Espectro de infravermelho das pastas bicomponentes, na idade de 28 dias,
compostas por: a) 0% de cinza volante; b) 50% de cinza volante; c) 100% de cinza
volante ................................................................................................................108
FIG. 4.51 Espectro de infravermelho das pastas monocomponentes, na idade de 24 horas,
compostas por: a) 0% de cinza volante; b) 50% de cinza volante; c) 100% de cinza
volante ................................................................................................................108
FIG. 4.52 Espectro de infravermelho das pastas monocomponentes, na idade de 28 dias,
compostas por: a) 0% de cinza volante; b) 50% de cinza volante; c) 100% de cinza
volante ................................................................................................................109
15
LISTA DE TABELAS
TAB. 2.1: Lista das amostras examinadas no trabalho de Barsoum e Ganguly. .....................26
TAB. 3.1: Composição química e características físicas da cinza volante..............................55
TAB. 3.2: Composição química do CP III- 40RS Mizu.........................................................57
TAB. 3.3 – Dados de resistência à compressão e propriedades físicas do CP III- 40RS Mizu.
.............................................................................................................................58
TAB. 3.4: Composição química e características físicas do metacaulim. ...............................59
TAB. 3.5: Composição química do silicato de sódio industrializado e sua massa específica. .61
TAB. 3.6: Composição química e características físicas da microssílica................................61
TAB. 3.7: Características físicas do KOH. ............................................................................63
TAB. 3.8: Características físicas do NaOH. ..........................................................................63
TAB. 4.1: Resultado do “slump test” para os concretos geopoliméricos de formulação
bicomponente em função do teor de cinza volante. ................................................74
TAB. 4.2: Resultado do “slump test” para os concretos geopoliméricos de formulação
monocomponente em função do teor de cinza volante. ..........................................74
TAB. 4.3 : Tempo de Relaxação Nuclear das pastas geopoliméricas. ..................................111
16
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
ABREVIATURAS
ACI - American Concrete Institute
CAD - Concreto de Alto Desempenho
CCG - Concreto de Cimento Geopolimérico
CCP - Concreto de Cimento Portland
CETEM Centro de Tecnologia Mineral
CMOD Deslocamento da abertura da boca da trinca (crack mouth opening displacement)
CP - Cimento Portland
CP III - Cimento Portland de Alto Forno
CP V ARI Cimento Portland de Alta Resistência Inicial
CTODc Deslocamento crítico da abertura da ponta da trinca (crack tip opening
displacement)
DSC - Calorimetria Diferencial por Varredura
DTA - Análise Térmica Diferencial
EDS - Espectrometria de Dispersão de Energia
EGAF Escória Granulada de Alto Forno
ITZ - Zona interfacial de transição (Interfacial Transition Zone)
MET - Microscopia Eletrônica de Transmissão
MEV - Microscopia Eletrônica de Varredura
OPC - Cimento Portland Ordinário (Ordinary Portland Cement)
PTFE - Politetrafluoretileno
RMN - Ressonância Magnética Nuclear
SAXS - Small Angle X-Ray Scattering
TGA - Análise Termogravimétrica
WAXS - Wide Angle X-Ray Scattering
XPS - Espectroscopia Fotoeletrônica de Raios-X
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SÍMBOLOS
Al - Alumínio
Al2O3 - Alumina
Al3+ - Cátion Alumínio
Ba++ - Cátion Bário
Ca - Cálcio
Ca++ - Cátion Cálcio
CaO - Óxido de Cálcio
C-S-H - Silicato de Cálcio Hidratado
Ca (SiO3) Wollastonita
CTODc Abertura crítica da ponta da trinca
Ecs - Módulo de elasticidade longitudinal secante do concreto
fc - Resistência à compressão do concreto
fcj - Resistência à compressão do concreto aos j dias, de acordo com a NBR 6118/2003
fct,sp - Resistência à tração do concreto, por compressão diametral
Gc - Taxa crítica de liberação de energia
H3O+ - Hidrônio
K+ - Cátion Potássio
KCl - Cloreto de Potássio
KI - Fator de intensidade de tensão
KIc - Fator crítico de intensidade de tensão
KOH - Hidróxido de Potássio
Li+ - Cátion Lítio
M - Molar
Mg - Magnésio
Na,K-PSS Polisiloxossialato de Sódio e Potássio
Na+ - Cátion Sódio
NaOH Hidróxido de Sódio
Na-PSS Polisiloxossialato de Sódio
NH4+ - Amônia
P - Carga (N) aplicada
P - Fósforo
18
Qc - Comprimento da zona de fratura
Rc - Resistência à compressão dos concretos
S - Enxofre
Si - Silício
SiO2 - Sílica ou dióxido de silício
Δa - Extensão efetiva da trinca
v - Deformação volumétrica
ν - Coeficiente de Poisson
19
RESUMO
O cimento geopolimérico, patenteado na década de 80 por Joseph Davidovits, apresenta-se como um recente produto tecnológico para aplicação estrutural. O seu bom desempenho mecânico, igual ou superior ao do cimento Portland, aliado à possibilidade de utilização de resíduos industriais em sua composição e à não emissão de CO2 durante o seu processo de produção, o posicionam como um eficiente produto capaz de promover o desenvolvimento sustentável. Esta dissertação buscou analisar diferentes composições de cimentos geopoliméricos, na forma de pastas e concretos, em nível microestrutural e de comportamento mecânico. Os compósitos continham zero, 25, 50, 75 e 100% de cinza volante em relação à quantidade de metacaulim em sua composição, com uma porcentagem fixa de CP III. As pastas e concretos geopoliméricos foram ativados ora com soluções de ativação que continham silicato comercial (formulação “bicomponente”), ora com soluções que continham o silicato alternativo (formulação “monocomponente”). Em relação ao comportamento mecânico, os compósitos de formulação “monocomponente” foram os que obtiveram o pior desempenho, devido à lenta atuação do silicato alternativo presente na solução de ativação. Quanto à reologia, as pastas contendo maiores quantidades de metacaulim em relação à de cinza volante, obtiveram maior viscosidade e limite de escoamento. Análises de difração de raios X comprovaram a atuação mais branda do silicato alternativo em relação ao de grau comercial e a baixa reatividade da cinza volante (as fases cristalinas permaneceram intactas mesmo após 28 dias). Nos termogramas das pastas bicomponentes pôde ser observado um pico exotérmico a 800°C, atribuído à cristalização da nefelina. Os resultados das análises de RMN revelaram maior rigidez molecular para os compósitos de formulação bicomponente e aumento no tempo de relaxação dos núcleos de H devido à presença de cinza volante, responsável pela redução do número de íons presentes na solução de poro das pastas.
20
ABSTRACT
Geopolymeric cement, patented in 1985 by Joseph Davidovits, has been shown a recent technology product for structural application. Geopolymeric concrete’s structural behaviors and acid/sulfate resistances are equal to or higher than Portland’s one; beyond these, no CO2 is released during their synthesis and they can potentially use byproducts as source of row materials. In this work, mechanical behaviors and microstructural characteristics of geopolymeric cements were studied by varying the addition ratio of fly ash/ metakaolin, the kind of sodium silicate and the age. When industrial sodium silicate was used for the composites activation, they were called “bicomponents” and the ones that used alternatively silicate were called “monocomponents”. Geopolymeric composites varied fly ash/ metakaolin contents in 0, 25; 50; 75 and 100%. The best compressive strength were found for geopolymeric concretes containing the relation fly ash/ metakaolin equal to 25%, with 28 days of cure, for both bicomponents and monocomponents composites. Monocomponents concretes had the worst mechanical behavior due to mainly the sodium silicate’s bad actuation. As higher the fly ash/ metakaolin contents were, more porous were the matrix-aggregate interfaces, showed by SEM micrographics. SEM micrographics also showed that a cure time of 24 hours wasn’t sufficient for consolidate a good matrix-aggregate interface; even this, geopolymeric concretes containing the relation fly ash/ metakaolin equal to 25% could reach 40% of their compressive strength at 28 days in the first 24 hours of cure. XRD diffratograms revealed the low reactivity of fly ash used in this work – its crystalline phases remained intact even after 28 days of pastes’ cure. It was observed, in DSC thermograms for bicomponents pastes, an exothermic peak related to nepheline’s crystallization. RMN analysis showed higher molecular rigidity for bicomponents composites and revealed that the fly ash presence on the mixtures was responsible for an increase on nuclear relaxation time.
21
1 INTRODUÇÃO
Nas últimas décadas o mundo vem se deparando com sérios problemas relacionados à
deterioração de materiais que compõem os elementos estruturais de grandes obras, tais como
barragens, rodovias, pontes, poços para extração de petróleo, entre outras.
Tornou-se fundamental o emprego da Ciência dos Materiais no estudo do
comportamento, aperfeiçoamento e desenvolvimento de novos materiais para diversas
aplicações com o intuito de garantir e manter o bom funcionamento destes e de outros
elementos de infra-estrutura - sinônimo de progresso, autonomia, conforto e qualidade de vida
para um país.
Dentre estes novos materiais destaca-se o geopolímero, material desenvolvido por Joseph
Davidovits na década de 70. O geopolímero que, artificialmente reproduz uma rocha, possui
características de dureza, durabilidade e estabilidade térmica coexistindo com as principais
vantagens que um material polimérico apresenta. Este produto pode dar origem a uma resina,
a um ligante ou a um cimento. O cimento geopolimérico (“Pyrament”) foi patenteado nos
Estados Unidos em 1985 por Joseph Davidovits.
A partir do cimento geopolimérico é possível obter o concreto geopolimérico, ou seja, um
concreto que possui propriedades microestruturais e mecânicas de superior qualidade quando
solicitado estruturalmente.
O concreto geopolimérico pode conter em sua formulação subprodutos industriais (cinza
volante, escória ou cinza da casca de arroz entre outros) que lhe conferem igual ou superior
desempenho (maiores resistências ao ataque ácido e por sulfatos, à compressão, à tração,
melhor trabalhabilidade, baixa taxa de fluência, etc) quando comparado ao Concreto de
Cimento Portland, além de o posicionar como um eficiente produto sustentável (produto
tecnológico que promove o desenvolvimento sustentável). O seu processo de produção,
quando comparado com o do cimento Portland, reduz o consumo de energia, já que não exige
a clinquerização a 1450ºC, e evita a emissão de CO2 na atmosfera em até 90%.
Este estudo busca complementar as pesquisas relacionadas às propriedades mecânicas e
microestruturais do concreto geopolimérico produzido pelo Grupo de Compósitos do Instituto
Militar de Engenharia (IME) para usufruir desta recente tecnologia de proteção ao meio
ambiente e aos elementos estruturais a ele expostos.
1.1 OBJETIVO
O objetivo deste trabalho é o estudo das relações cinza volante/metacaulim na
microestrutura das pastas geopoliméricas e nas resistências à compressão e à tração (por
compressão diametral) dos concretos geopoliméricos, procurando identificar a maneira como
estas matérias-primas (separadamente ou juntas) influenciam o material. Espera-se que as
conclusões obtidas neste trabalho, junto com as já encontradas por outros pesquisadores,
contribuam para um maior banco de dados e controle sobre o desempenho mecânico e a
microestrutura do geopolímero.
23
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 O GEOPOLÍMERO
Em 1972, Joseph Davidovits, ex- encarregado por um laboratório de pesquisa de uma
indústria têxtil francesa, com o intuito de criar materiais plásticos não inflamáveis, não
baseados na química do Carbono, buscou como solução utilizar elementos geológicos
baseados no silício.
O termo geopolímero foi criado por Davidovits em 1978 para designar uma família de
ligantes minerais com composição química semelhante à da zeólita, porém com uma
microestrutura mista (amorfa à semi-cristalina). Os geopolímeros são também conhecidos por
polissialatos (grande cadeia molecular constituída de silício, oxigênio e alumínio). Sialato é
uma abreviação para sílico-óxido-aluminato.
Os materiais geopoliméricos são sintetizados através da geosíntese – ciência para
produção de rocha artificial à temperatura abaixo de 100ºC com o objetivo de obter
características naturais como dureza, durabilidade e estabilidade térmica (Davidovits, 1996).
Desde 1972, Davidovits trabalhou com a caulinita como matéria-prima junto com álcalis
como NaOH e KOH para a produção de geopolímeros. Porém, mais tarde, Davidovits passou
a utilizar a caulinita calcinada a 750 ºC por 6 horas, a metacaulinita, que como matéria-prima
conferia melhor desempenho ao geopolímero.
Segundo Davidovits, os polissialatos apresentam a seguinte fórmula empírica:
Mn [– (SiO2)z – AlO2]n, wH2O
Onde z é 1, 2 ou 3, M é um íon positivo, n é o grau de policondensação, e w possui um
valor em torno de 7.
Os polissialatos são polímeros em cadeias ou anéis com Si4+ e Al3+ em número de
coordenação IV com o oxigênio. Os íons positivos (Na+, K+, Li+, Ca++, Ba++, NH4+, H3O+)
ocupam as cavidades da estrutura para balancear a carga negativa do Al3+ em coordenação
tetraédrica. Quando z é dois, o polissialato é chamado polissiloxossialato ou PSS. Quando M
é sódio ou sódio + potássio, o polímero é chamado polissiloxossialato de sódio, Na-PSS ou de
sódio e potássio, Na,K-PSS. As estruturas destes aluminossilicatos são caracterizadas de
acordo com as unidades poliméricas, podendo ser dos seguintes tipos: polissialatos (-Si-O-Al-
24
O)n, polissiloxossialato (-Si-O-Al-O-Si-O-)n ou polidissiloxossialato (-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-
)n (FIG. 2.1) (SILVA, 2000).
FIG. 2.1- Representação esquemática dos polissialatos (DAVIDOVITS, J., 1994 apud
SILVA, F. J., 2000).
FIG. 2.2 - Estrutura proposta para o polímero Na-polissialato (BARBOSA, V. F. F.,
THAUMATURGO, C., 2000).
A cura do geopolímero, quando realizada a altas temperaturas (60 ºC), fornece um
produto mais resistente, pois a cura à alta temperatura acelera o processo de
geopolimerização. Porém deve-se tomar cuidado com a perda de água já que esta também
25
atua como um catalisador na polimerização. À temperatura ambiente, a cura do geopolímero
tem obtido sucesso ao usar matérias-primas calcinadas de origem geológica pura, como o
metacaulim (metacaulinita), segundo os pesquisadores Thaumaturgo, Mackenzie, Barbosa e
Davidovits (HARDJITO et al., 2004c).
Quanto às aplicações dos geopolímeros, pode-se citar: materiais refratários, materiais
para aplicações balísticas, cimentos para ambientes agressivos, cimentos para reparos
estruturais, pavimentação, cimentação de poços de petróleo, imobilização de resíduos tóxicos
e radioativos, remediação de solos contaminados, isolamento de vazamento no núcleo de
reatores nucleares (LIMA, 2004).
Balaguru et al. (1997) relataram os resultados de uma investigação utilizando
geopolímeros no lugar de polímeros orgânicos para fixar mantas de carbono à superfície de
vigas de concreto. Foi provado que o geopolímero proporcionou excelente adesão entre a
superfície de concreto e a manta. Além disso, os pesquisadores observaram que o
geopolímero foi resistente ao fogo, não se degradou sob luz ultravioleta e foi quimicamente
compatível com o concreto (WALLAH e RANGAN, 2006).
2.2 BREVE AVALIAÇÃO DE MATÉRIAS-PRIMAS PARA O GEOPOLÍMERO
Dentre os subprodutos industriais, a cinza volante e a escória são matérias-primas de
grande potencial para os geopolímeros.
Cheng e Chiu (2003) relataram o estudo de produção de geopolímero resistente ao fogo,
utilizando escória de alto forno combinada com metacaulinita. A combinação de hidróxido de
potássio e silicato de sódio foi utilizada como ativador alcalino.
Van Jaarsveld et al. (1997; 1999) identificaram o uso potencial de materiais residuais tais
como cinza volante e resíduos de construções para imobilizar materiais tóxicos.
Palomo et al. (1999) estudaram geopolímeros à base de cinza volante utilizando
combinações de hidróxido de sódio com silicato de sódio e hidróxido de potássio com silicato
de potássio como ativadores alcalinos. Encontraram que o tipo de ativador alcalino é um fator
significativo que afeta a resistência mecânica e que a combinação de silicato de sódio com
hidróxido de sódio proporcionou a mais alta resistência à compressão.
Gorley (2003) afirmou que a presença de cálcio na cinza volante em significantes
quantidades poderia interferir na taxa de polimerização e alterar a microestrutura do
26
geopolímero. Logo, o uso da cinza volante com baixo teor de cálcio é preferível como
matéria-prima para a produção do geopolímero (WALLAH e RANGAN, 2006).
Na década de 80, Davidovits propôs que as pirâmides do Egito teriam sido moldadas “in
loco”, utilizando agregados ricos em calcário e um ligante alcalino à base de aluminosilicatos.
Esta hipótese aguçou a necessidade de mais pesquisas e trabalhos científicos relacionados à
área e que contribuíssem com a sociedade – científica ou não.
BARSOUM e GANGULY (2006) analisaram diversas amostras das pirâmides e de suas
vizinhanças. Onze delas foram coletadas por Davidovits (em 1991) e fornecidas a estes
autores, sendo que estes, independentemente, conseguiram um pedaço do revestimento
externo da pirâmide de Khufu – Quéops (referida como amostra OC) e outras amostras do
revestimento desta pirâmide. Das amostras fornecidas por Davidovits, seis eram de rocha
calcária natural: uma amostra de Tura; outras duas das formações calcárias de Maadi; outra do
planalto de Gisa – acredita-se ser de Quéops - e duas amostras eram do caminho de Khafra
que conduzia a Quéops (conhecida como a Grande Pirâmide). Davidovits também forneceu -
lhes uma amostra de gesso da formação de Maadi, uma amostra do revestimento interno da
pirâmide de Khufu (amostra Lauer) e três amostras da parte central da pirâmide de Menkarah
- Miquerinos (referida como amostra de Menk) (TAB. 2.1).
TAB. 2.1: Lista das amostras examinadas no trabalho de Barsoum e Ganguly.
Fonte: Adaptado de Barsoum e Ganguly, 2006.
Durante um período de três anos, mais de 1000 micrografias, análises químicas locais e
mapas elementares foram realizados. O papel deste estudo foi apresentar a microestrutura
AMOSTRAS ANALISADAS ORIGEM DAS AMOSTRAS FUNÇÃO ESTRUTURAL QUE DESEMPENHAVAM TIPO DA AMOSTRA
MENK Pirâmide de Miquerinos Blocos Pedaço de grande tamanho
AMOSTRAS DE KHUFU Khufu Revestimento externo Lascas
OC Khufu Revestimento externo Bloco pequenoLAUER Quéops (Grande Pirâmide) Revestimento interno "Laje pequena"
GESSO Formação rochosa de Maadi Amostra natural de rocha "Bloco"
PEDREGULHOS DE KHUFU Pedreira de Khufu Amostra natural de rocha "Bloco"CAMINHO DE KHAFRA Caminho de Khafra Amostra natural de rocha "Bloco"
TURA Leste do Rio Nilo Amostra natural de rocha "Bloco"
MAADI Oeste do Rio Nilo Amostra natural de rocha "Bloco"
2
2
1
2
12
Qantidade
3
1
1
27
observada, mas não necessariamente catalogar cada fase, intrusão ou microconstituinte
presente (BARSOUM e GANGULY, 2006). Estes autores definem microconstituinte como
“pequena região aparentemente homogênea, com um número de elementos que constituem
pelo menos uma fase”.
Encontraram a presença de silício (Si) combinado com outros elementos e estruturas.
Segundo Davidovits, o Si estaria nos contornos de grão, entre a calcita e outros agregados.
Barsoum e Ganguly mostraram em seus resultados que o Si foi encontrado ligado ao Mg; ao
Mg e Ca; ao S e Ca ou P; ao Ca; ou ao Ca, Al e Mg. Mostraram também a presença do Si em
solução sólida e em alguns microconstituintes - ele se precipitava fora da solução. Estes
pesquisadores concluíram que a presença do enxofre na maioria das amostras das pirâmides e
a sua ausência na rocha natural é consistente à natureza sintética dos blocos das pirâmides.
Nenhuma rocha natural de calcário que foi examinada nas amostras das pirâmides continha
água de hidratação. As análises por MET (Microscopia Eletrônica de Transmissão) mostraram
que os microconstituintes eram amorfos ou nanocristalinos. Isto mostra, segundo os autores,
que os egípcios antigos detinham um conhecimento sofisticado do cimento baseado em cal.
“Em geral nossos resultados estavam de acordo com o propósito de Davidovits, como em
ambos a chave é a presença do Si na solução. Porém, em contradição, nossas amostras
analisadas estavam ligadas por um silicato de Mg-Ca ou por sílica amorfa como ligante.
Baseado em nossas amostras, é improvável que o Al desempenha o principal papel, já que não
há evidências de sua presença nas fases ligantes ou de que foi adicionado (...)” (BARSOUM e
GANGULY, 2006).
Estes autores também creditam aos Egípcios a invenção do concreto, milhares de anos
antes dos Romanos. Era um concreto à base de cal, moldado e curado à temperatura ambiente
e que sobrevive há 5.000 anos.
2.3 CARÁTER NANOCRISTALINO DO GEOPOLÍMERO
Fases zeolíticas e nanocristalinas compõem o geopolímero. Estas fases, tais como
faujasitas e hidrosodalitas, não são observadas na difração de raios X comum e requerem o
uso de técnicas como SAXS (X-Ray Absorption Fine-Structure) e WAXS (Wide Angle X-Ray
Scattering) que possibilitam identificá-las, sem tratamento térmico, claramente no
geopolímero.
O caráter nanométrico (partículas de cinco nm, com diversos graus de cristalinidade)
28
intrínseco nestes materiais já havia sido identificado em análises por microscopia de
transmissão/difração de elétrons (DUXSON, 2006).
2.4 O CIMENTO GEOPOLIMÉRICO
A diferença entre os polímeros minerais e os orgânicos está na ausência da cadeia de
carbono – neste caso, estes polímeros minerais podem recorrer à química de polimerização
utilizando silicoaluminatos de sódio ou potássio. A operação de cristalização é então evitada
e, deste ponto, é possível obter não somente uma resina como também um ligante e um
cimento (DAVIDOVITS, 1996).
Cimento foi a escolha de Joseph Davidovits que, junto com a sua equipe, desenvolveu um
cimento geopolimérico baseado no sistema polisiloxossialato com características de
trabalhabilidade, resistências à compressão, à tração e à ataques ácidos superiores às do
cimento Portland, avaliadas através de testes com argamassas.
Além destas propriedades excepcionais, a produção de cimento geopolimérico reduz o
consumo de energia (já que não exige a clinquerização a 1450ºC) e evita a emissão de CO2 na
atmosfera em até 90% - comparada à produção do cimento Portland.
Este cimento foi denominado de Pyrament e patenteado nos Estados Unidos em 1985.
Abaixo segue uma breve comparação do processo químico de produção dos cimentos
Portland e Geopolimérico (Adaptado de NICHOLSON, 2005):
Cimento Portland: CaO (cal virgem – CO2 é liberado durante a sua produção) +SiO2
(sílica ou dióxido de silício) são calcinados a 1450ºC resultando no clínquer que após
a hidratação gera o C-S-H (Silicato de Cálcio Hidratado) e o hidróxido de cálcio.
Cimento Geopolimérico: Al2O3 (alumina) + SiO2 são submetidos à temperatura entre
20 e 90ºC e ativados por uma solução alcalina de silicato resultando na cadeia - Si-O-
Al-O- que após a policondensação forma como produto uma cadeia polimérica
tridimensional de aluminosilicato, com baixa mobilidade.
2.5 ARGAMASSAS DE CIMENTO GEOPOLIMÉRICO
O grupo de compósitos do IME vem estudando o comportamento de pastas de cimento
29
geopolimérico com aditivos químicos (retardadores de pega, superplastificantes, anti-
espumantes e outros), visando sua aplicação na cimentação de poços de petróleo. Estudos
iniciais revelaram que a adição de retardadores de pega convencionais (ácidos orgânicos,
boratos, lignosulfonatos e outros), comumente utilizados no cimento Portland, não ocasionou
mudanças nos tempos de início de pega em pastas de cimento geopolimérico (DIAS 2001).
THAUMATURGO E SILVA (2002) estudaram a tenacidade à fratura em argamassas
compostas por matriz de cimento geopolimérico (PSS) reforçada por microfibras de
wollastonita [(Ca(SiO3)]. As curvas KI (fator de intensidade de tensão) para os compósitos de
cimento geopolimérico (PSS) foram comparadas com as curvas KI dos compósitos de cimento
Portland (PC).
O ganho máximo de tenacidade ocorreu em ambos os compósitos com volume de fibras
igual a 2 % (FIG. 2.3 e 2.4). Para volumes de fibras mais altos (3 e 5%), os valores de KI
decresceram devido ao aumento da porosidade. Análises microestruturais mostraram que o
mecanismo de tenacidade, tais como o rompimento e o arrancamento das fibras, são mais
comuns nos compósitos de cimento geopolimérico do que nos de cimento Portland (utilizados
como referência) (FIG. 2.5 e 2.6). O cimento geopolimérico (PSS) apresentou valor de
tenacidade superior em 80% em relação ao obtido pelo cimento Portland (PC), quando estes
compósitos foram avaliados sem adição de fibras (F.J. SILVA e C.THAUMATURGO, 2002).
FIG. 2.3 - Fator de intensidade de tensão, KI, como uma função da extensão efetiva da trinca,
Δa, para os compósitos PC com volume de fibras = 0 – 3% (F.J. SILVA e
C.THAUMATURGO, 2002).
30
FIG. 2.4 - Fator de intensidade de tensão, KI, como uma função da extensão efetiva da trinca,
Δa, para os compósitos de cimento PSS com volume de fibras de 0-5% (F.J. SILVA e
C.THAUMATURGO, 2002).
FIG. 2.5 - Micrografia (MEV) do compósito de cimento Portland, mostrando detalhes das
microfibras de wollastonita embebidas na porosidade inerente dos produtos de C-S-H
externos (F.J. SILVA e C.THAUMATURGO, 2002).
31
FIG. 2.6 - Micrografia (MEV) do compósito de cimento PSS mostrando o arrancamento da
microfibra de wollastonita (F.J. SILVA e C.THAUMATURGO, 2002).
Na microestrutura do cimento Portland são formadas diferentes fases, sendo algumas
cristalinas, de baixa resistência e porosidade elevada, o que faz com que as resistências dessas
fases na matriz de cimento Portland sejam muito inferiores às do geopolímero. O fato de se
ter uma microestrutura porosa compromete a durabilidade do compósito ao expor as fases aos
ataques agressivos, à lixiviação ou mesmo a uma reação expansiva (formação de etringita
retardada) que leve à fissuração da matriz. A matriz geopolimérica possui uma rede mais
massiva e densa (FIG. 2.7) (OLIVEIRA, 2005).
a b
FIG. 2.7 - Micrografias de MEV (elétrons secundários) da superfície de fratura dos
compósitos (a) de cimento Portland e (b) de cimento geopolimérico (500x) (OLIVEIRA,
2005).
C-S-H
FIBRA
AREIA Na,K,Ca-PSS
FIBRAS
32
OLIVEIRA (2005) também avaliou o ganho de tenacidade quanto à incorporação de
fibras de polipropileno em ambos os compósitos, tanto no cimento Portland de Alta
Resistência Inicial (CP V ARI) quanto no cimento geopolimérico. O melhor desempenho do
concreto geopolimérico quanto às propriedades de tenacidade e resistência analisadas foi
confirmado em relação ao cimento Portland ARI (FIG. 2.8 e 2.9).
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50
50
100
150
200
250
300Portland
0,5%
0,3%
0%
P (N
)
CMOD (mm)
FIG. 2.8 - Curvas P x CMOD para a argamassa de cimento Portland para os diferentes
volumes de fibra (OLIVEIRA, 2005).
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50
50
100
150
200
250
300Geopolímero
0,5%
0,3%0%
CMOD (mm)
P (N
)
FIG. 2.9 - Curvas P x CMOD para a argamassa de cimento Geopolimérico para os diferentes
volumes de fibra (OLIVEIRA, 2005).
33
2.6 O CONCRETO GEOPOLIMÉRICO
Os avanços na tecnologia do concreto incluem o emprego de escórias álcali-ativadas e
compostos silicosos de elevada reatividade potencial, permitindo, além da melhoria do
concreto, o aproveitamento de uma grande variedade de resíduos agroindustriais antes sem
potencial de aplicação (SILVA, 2000).
O concreto geopolimérico é composto de agregados finos e graúdos que ocupam o
volume em torno de 75 a 80% (como no concreto de cimento Portland), sendo o restante do
volume ocupado pela matriz geopolimérica. O seu processo de fabricação é o mesmo
utilizado no concreto de cimento Portland. Entretanto, o alumínio e o silício provenientes das
matérias-primas (ex: cinza volante, escória de alto forno, e outras) são ativados por soluções
alcalinas, como a combinação de silicato de sódio com hidróxido de sódio, e formam um
ligante que une os agregados a outros materiais não reativos (RANGAN, 2004).
Diversas propriedades do concreto geopolimérico, avaliadas por grupos de pesquisas,
serão apresentadas a seguir.
THOMAZ (2000) realizou ensaios para avaliá-las quanto à trabalhabilidade no estado
fresco; resistência à compressão (fc); resistência à tração, medida por compressão diametral
(fct,sp); módulo de elasticidade longitudinal do concreto geopolimérico (foram avaliadas as
linhas secante e tangente) (Ecs); coeficiente de Poisson (ν); deformação volumétrica (v); taxa
crítica de liberação de energia (Gc); fator crítico de intensidade de tensão (KIc); deslocamento
crítico da abertura da ponta da trinca (CTODc); comprimento crítico da trinca (ac) e
comprimento da zona de processo de fratura (Qc) baseado no modelo biparamétrico de fratura.
Os concretos geopoliméricos testados apresentaram resistência à compressão entre 45
MPa a 60 MPa e resistência à tração (por compressão diametral) entre 3,0 e 4,0 MPa.
As demais propriedades do concreto geopolimérico avaliadas por esse autor,
anteriormente citadas, apresentaram bons resultados (FIG. 2.10 e 2.11), “de modo que o
concreto geopolimérico pode ser usado em todas as aplicações em que se usa o concreto
Portland”.
34
FIG. 2.10- Resistência à compressão em função da extensão da trinca (THOMAZ, 2000).
FIG. 2.11 - Módulo de Elasticidade (E) em função da resistência à compressão (fc) para os
concretos geopolimérico e Portland, contendo agregado de gnaisse britado (THOMAZ, 2000).
A microestrutura do concreto geopolimérico foi analisada por microscopia eletrônica e
pôde ser verificada a não existência da zona de transição na região próxima à interface dos
agregados com a matriz geopolimérica e também a ausência de formação de hidróxidos de
cálcio nesta matriz (FIG. 2.12 a 2.14) (THOMAZ, 2000).
fc (MPa)
(ac-a
0)/(b
-a0)
%
35
FIG. 2.12 - Imagem por elétrons retro-espalhados do concreto geopolimérico mostrando a
interface do agregado graúdo com a matriz geopolimérica (650 X) (THOMAZ, 2000).
FIG. 2.13 - Imagem por elétrons-retroespalhados do concreto geopolimérico mostrando a
interface do agregado fino com a matriz geopolimérica (180 X) (THOMAZ, 2000).
36
FIG. 2.14 - Mapeamento do elemento Cálcio por meio de raios-X. Não se observa
concentração de cálcio (Ca OH2) na zona da interface Areia x Matriz Geopolimérica. Largura
do campo = 2mm (THOMAZ, 2000).
DIAS (2001) analisou a tenacidade à fratura em concretos de cimento Portland e
geopolimérico reforçados com fibras de basalto e o estudo da aderência entre a barra lisa de
aço e os concretos de cimento Portland e de cimento geopolimérico (FIG. 2.15).
As propriedades de tenacidade à fratura destes compósitos foram avaliadas com base nas
equações recomendadas por GUINEA (1998). O aumento da tenacidade à fratura do material
com a adição das fibras de basalto foi confirmado.
0
1
2
3
4
5
6
7
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20
mm
(M
Pa)
CCP
CCG
FIG. 2.15 - Curvas tensão média de aderência dos concretos de cimento Portland e de cimento
geopolimérico em função do deslizamento relativo (DIAS, 2001).
37
As análises microestruturais mostraram que a zona de transição aço-matriz de cimento
geopolimérico é mais compacta que a do cimento Portland, o que indica que o cimento
geopolimérico desenvolve maior adesão ao aço do que o cimento Portland (FIG. 2.16 e 2.17).
FIG. 2.16 - Micrografia (MEV) da zona de transição entre o aço e a pasta de cimento Portland
(DIAS, 2001).
FIG. 2.17 - Micrografia (MEV) da zona de transição entre o aço e a pasta de cimento
geopolimérico (DIAS, 2001).
LEE e DEVENTER (2003a) analisaram a interface entre os agregados naturais de silício
e o geopolímero à base de cinza volante. Nenhuma zona interfacial de transição (ITZ) foi
identificada ao redor dos agregados quando o sistema apresentava-se livre de contaminação
por cloretos. Entretanto, identificaram que a presença de sal inorgânico, por exemplo, cloreto
38
de potássio (KCl), provoca cristalização na superfície dos agregados, o que compromete a
interface matriz – agregados, reduzindo a resistência do concreto geopolimérico. Observaram
também que quando o teor de silicatos solúveis na solução alcalina era menor que 2,5 Molar,
menores eram as resistências dos compósitos geopoliméricos (FIG. 2.18); logo a presença dos
silicatos solúveis na solução de ativação também foi responsável pela melhor aderência entre
os agregados e a pasta geopolimérica (FIG. 2.19).
FIG. 2.18 - Micrografia (MEV) da amostra com zero Molar de silicato solúvel, evidenciando
a interface porosa entre o agregado F (mica/argila) e o ligante (P) (LEE e DEVENTER,
2003a).
FIG. 2.19 - Micrografia (MEV) da amostra com 2,5 Molar de silicato solúvel, evidenciando
uma interface mais “densa” entre o agregado F (mica/argila) e o ligante (P) (LEE e
DEVENTER, 2003a).
39
A interação química e/ou física que ocorre entre o ligante e os agregados nos sistemas
geopoliméricos é bem diferente da que ocorre no sistema de Cimento Portland Comum
(OPC), pois a argamassa e o concreto geopoliméricos, produzidos a partir do mesmo ligante,
apresentam pequena diferença em suas resistências (LEE e DEVENTER, 2003a).
No caso do sistema OPC, as argamassas são bem menos resistentes que os concretos, pois
a ausência de uma adesão ideal (devido à presença da portlandita como fase frágil) entre
matriz e agregados o impossibilita de atuar como um material único – como ocorre no sistema
geopolimérico (que não contém portlandita em sua microestrutura). A transferência dos
esforços da matriz para os agregados depende de uma ponte feita através dos agregados finos.
Desta forma, os responsáveis pela absorção de esforços nas argamassas Portland são a matriz
(que é porosa) e os agregados finos (areia), sendo esta transferência de tensão matriz-areia
mais difícil de ser promovida (menor aderência matriz-agregado, o deslocamento dos
agregados é mais comum).
Os autores também verificaram que as diferentes naturezas geoquímicas dos agregados
graúdos, Basalto e rocha siltosa, não têm grande influência na resistência do concreto
geopolimérico, já que neste sistema a matriz tem forte participação na absorção dos esforços –
o que não acontece com o Concreto de Alto Desempenho (CAD), obtido a partir do cimento
Portland, onde a rugosidade da superfície dos agregados e suas naturezas geoquímicas
influenciam significativamente sua resistência.
Comentaram sobre a capacidade do aluminosilicato amorfo (geopolímero) incorporar o
cálcio e da possibilidade de coexistência das fases C-S-A-H e aluminosilicato de cálcio
hidratado quando se utiliza um sólido aluminosilicato com alto teor de cálcio como a escória
de alto-forno.
Abordaram também neste estudo, como colocado anteriormente, que a incorporação de
silicatos solúveis reduziu a formação de produtos secundários de potássio (que fragilizam o
geopolímero), efeito equivalente ao da incorporação de pozolanas nos sistemas de cimento
Portland para reduzir o teor de Hidróxido de Cálcio – Ca(OH)2.
Quando a interface entre os agregados e o ligante geopolimérico ativado com silicatos
solúveis foi contaminada pelo KCl, (devido à cristalização que ocorre ao redor dos agregados
quando este sal é introduzido no compósito) ficou claro que a boa interface matriz –
agregados desempenha papel fundamental na resistência mecânica do concreto geopolimérico
(LEE e DEVENTER, 2003a).
HARDJITO et al. (2004b) mostraram os efeitos de vários parâmetros na resistência à
40
compressão do concreto geopolimérico (CCG) à base de cinza volante com baixo teor de
cálcio. Foi utilizado um plastificante à base de naftaleno com o objetivo de melhorar a
trabalhabilidade. Após a moldagem dos corpos de prova, estes foram cobertos com um filme
plástico a fim de evitar a perda de água por evaporação durante a policondensação.
Os principais parâmetros que afetam a resistência à compressão do CCG, coletados
através da análise de numerosas misturas de concreto geopolimérico produzidas e testadas em
laboratório por estes autores, são citados abaixo:
Razão SiO2 / Al2O3 - esta razão deve estar entre 2,0 e 3,5;
Razão ativadores alcalinos / matéria-prima (cinza volante) em massa;
Concentração molar de NaOH na faixa de 8 a 16 M;
Razão silicato de sódio/ hidróxido de sódio – o efeito deste parâmetro depende da
composição da solução de silicato de sódio;
Temperatura de cura na faixa de 30 a 90ºC;
Tempo de cura na faixa de 6 a 96 horas;
Teor de água na mistura.
O CCG deste trabalho possuiu razão ativadores alcalinos / cinza volante = 0.35 e o
volume de agregados (finos e graúdos) correspondente a 77 % do volume total do CCG.
Ao aumentar a razão silicato de sódio / NaOH, ocorreu o aumento da resistência à
compressão.
A seguir são apresentadas as conclusões e figuras correspondentes, referentes a cada
parâmetro testado neste estudo.
Temperatura:
Quanto mais alta a temperatura de cura, maior será a resistência à compressão, pois a
temperatura melhora o processo de polimerização. Acima de 60ºC este ganho não é tão
significativo (FIG. 2.20).
41
FIG. 2.20 - Efeito da temperatura de cura na resistência à compressão (HARDJITO et al.,
2004b).
Quanto maior o tempo de cura, melhor será a polimerização, resultando em um compósito
mais resistente (FIG. 2.21) (HARDJITO e RANGAN, 2004b).
FIG. 2.21 - Efeito do tempo de cura na resistência à compressão (HARDJITO et al., 2004b).
Segundo os autores, a adição de superplastificante acima de 2,0 % melhora a
trabalhabilidade do CCG fresco, porém, com pequeno comprometimento na sua
resistência à compressão depois de endurecido (FIG. 2.22).
42
FIG. 2.22 - Influência do superplastificante na resistência à compressão (HARDJITO et al.,
2004b).
Manuseabilidade:
Através da experiência em laboratório, os autores notaram que o CCG pode ser
facilmente trabalhado por até 120 min após a mistura, sem nenhum sinal de cura e sem
nenhuma degradação na resistência à compressão (FIG. 2.23).
FIG. 2.23 - Influência do tempo de “trabalhabilidade” na resistência à compressão
(HARDJITO et al., 2004b).
43
Teor de água na mistura:
O total de massa de água na mistura é a soma das parcelas de água contidas na solução de
silicato de sódio, de hidróxido de sódio e de água adicionada, se houver. A massa de sólidos
contida na mistura é a soma das massas da cinza volante, dos flocos de hidróxido de sódio e a
massa dos sólidos contidos na solução de silicato de sódio. A razão de água/sólidos, nesta
análise, foi de 0,220. À medida que esta razão aumenta, ocorre queda na resistência à
compressão, mesmo a diferentes temperaturas (FIG. 2.24). Esta figura também mostra que à
medida que a temperatura de cura aumenta, ocorre ganho de resistência à compressão; porém
quando este aumento de temperatura de cura acontece de 75º C para 90º C, o ganho na
resistência à compressão não é significativo (HARDJITO, WALLAH, SUMAJOUW,
RANGAN, 2004b).
FIG. 2.24 - Efeito da razão água / sólidos na resistência à compressão do CCG (HARDJITO
et al., 2004b).
Influência da idade na resistência à compressão do concreto geopolimérico sem plastificante:
Diferente do processo químico do cimento Portland, o rápido processo de polimerização
do geopolímero faz com que ele adquira alta (grande parte) resistência à compressão logo nas
primeiras idades (FIG. 2.25).
44
FIG. 2.25 - Influência da idade na resistência à compressão do CCG (HARDJITO et al.,
2004b).
Retração e Fluência:
A retração à pega do CCG é realmente pequena e o fator de fluência (razão entre a
deformação de fluência e a deformação instantânea) alcançou o valor de 0,30 em seis
semanas. Após este período o fator de fluência cresceu apenas marginalmente (FIG. 2.26).
FIG. 2.26 - Retração à pega e deformação por fluência para o CCG (HARDJITO et al.,
2004b).
45
HARDJITO et al. (2004c) investigaram as propriedades elásticas do concreto
geopolimérico à base de cinza volante, o módulo de Young e o coeficiente de Poisson. O
módulo de Young foi avaliado através do módulo secante, medido a um nível de tensão igual
a 40% da resistência à compressão do concreto. Os valores encontrados foram próximos aos
do concreto de cimento Portland. As relações tensão-deformação do concreto geopolimérico
também foram avaliadas e comparadas com os valores obtidos pela equação de Collins et al.
(1993) aplicada ao concreto de cimento Portland. O resultado desta comparação mostra que a
equação de Collins et. al. pode seguramente ser aplicada ao concreto geopolimérico, neste
caso.
SUMAJOUW et al. (2005b) observaram o comportamento de pilaretes de concreto
geopolimérico (à base de cinza volante) sob cargas excêntricas uniformes através de estudos
analíticos e experimentais. Os estudos analíticos consistiram no método proposto por Rangan
e nas provisões para dimensionamento contidas no ACI (American Concrete Institute) para o
cálculo da resistência dos pilares de concreto. Os estudos experimentais envolveram a taxa de
reforço longitudinal (com barras de aço de 12 mm e estribos de 6 mm de diâmetro), a
excentricidade da carga e a resistência à compressão. Os pilaretes de concretos
geopoliméricos armados (com seção transversal de 10x 17,5 cm e altura de 150 cm),
submetidos a diferentes carregamentos, foram carregados em diferentes idades. As misturas
foram dosadas a fim de se obter uma resistência de 40 MPa para o CGI e 60 MPa para o
CGII.
Os autores verificaram que fissuras apareceram à meia altura do corpo de prova. Novas
fissuras se formaram enquanto que fissuras pré-existentes se propagaram à medida que a
carga aumentava. A zona de falha variou entre 250 mm abaixo ou acima da meia-altura dos
corpos de prova.
Os deslocamentos diminuíram à medida que a taxa de reforço e a resistência à
compressão aumentaram e quando a excentricidade de aplicação da carga foi menor (FIG.
2.27).
46
FIG. 2.27 - Curvas típicas de deslocamento em função dos diferentes carregamentos impostos
à colunas (SUMAJOUW et al., 2005b).
a b
FIG. 2.28 - Carga versus deslocamento à meia altura para a série dos CG I (a) taxa de reforço
longitudinal = 1.47 % e (b) taxa de reforço longitudinal = 2.95% (SUMAJOUW et al.,
2005b).
47
a b
FIG. 2.29 - Carga versus deslocamento à meia altura para a série dos CG II (a) taxa de reforço
longitudinal = 1.47 % e (b) taxa de reforço longitudinal = 2.95% (SUMAJOUW et al.,
2005b).
Nas FIG. 2.28 e 2.29, leia-se:
CGI 1 = concreto geopolimérico com resistência à compressão de 42 MPa; excentricidade de
15 mm e taxa de reforço longitudinal de 1.47 % .
CGI 2 = concreto geopolimérico com resistência à compressão de 42 MPa; excentricidade de
35 mm e taxa de reforço longitudinal de 1.47 % .
CGI 3 = concreto geopolimérico com resistência à compressão de 42 MPa; excentricidade de
50 mm e taxa de reforço longitudinal de 2.95 % .
CGI 4 = concreto geopolimérico com resistência à compressão de 43 MPa; excentricidade de
15 mm e taxa de reforço longitudinal de 2.95 % .
CGI 5 = concreto geopolimérico com resistência à compressão de 43 MPa; excentricidade de
35 mm e taxa de reforço longitudinal de 2.95 % .
CGI 6 = concreto geopolimérico com resistência à compressão de 42 MPa; excentricidade de
50 mm e taxa de reforço longitudinal de 1.47 % .
O mesmo para CGII, com exceção da resistência à compressão, que nestes concretos foi
de 59 MPa (CGII 4, 5 e 6) e 66 MPa (CGII 1, 2 e 3).
48
WANG et al. (2005) investigaram o comportamento tribológico de compósitos
geopoliméricos baseados em metacaulinita contendo de 5% a 30% (fração de volume) de
grafite, politetrafluoretileno (PTFE) e dissulfato de molibdênio, sintetizados à temperatura
ambiente e na presença de soluções de hidróxido de sódio e silicato de sódio como ativadores
alcalinos.
O comportamento tribológico, após o deslizamento destes compósitos contra uma barra
de aço, foi analisado utilizando técnicas de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV),
Espectrometria de Dispersão de Energia (EDS) e Espectroscopia Fotoeletrônica de Raios-X
(XPS) em amostras das superfícies desgastadas dos compósitos.
Os três tipos de lubrificantes sólidos contribuíram eficazmente na redução da fricção e do
desgaste dos compósitos. Isto foi atribuído à formação de um filme lubrificante contendo alto
teor de partículas sólidas lubrificantes destacadas e de Fe2O3 oxidado advindo dos detritos da
barra de aço desgastada (FIG. 2.30).
FIG. 2.30 - Coeficiente de fricção versus duração do ciclo de deslizamento (WANG, 2005).
WALLAH e RANGAN (2006) analisaram o efeito da idade na resistência à compressão e
as propriedades a longo prazo (fluência sob carga constante, retração à pega, resistência ao
sulfato e resistência ao ácido sulfúrico) do concreto geopolimérico baseado em cinza volante
com baixo teor de cálcio. Os materiais utilizados foram: cinza volante com baixo teor de
cálcio, agregados, líquidos alcalinos (solução de silicato de sódio e solução de hidróxido de
sódio), água e super-plastificante à base de naftaleno.
49
O autores observaram que houve ganho de resistência à compressão com o tempo para o
concreto geopolimérico curado nas condições ambientes do laboratório. O concreto
geopolimérico apresentou baixa taxa de fluência, pequena retração e excelente resistência ao
ataque por sulfatos. Não ocorreu nenhum dano à superfície das amostras após exposição a
uma solução de sulfato de sódio durante um ano. As observações destes testes indicaram que
não houve mecanismo algum de formação de gesso ou etringita a partir dos principais
produtos de polimerização no concreto geopolimérico curado termicamente; porém, a
superfície das amostras deste concreto sofreu danos ao ser exposta à solução de ácido
sulfúrico, que ocasionou perda de massa em torno de 3% após um ano (FIG. 2.31 e 2.32).
O ataque de ácido sulfúrico também causou degradação na resistência à compressão do
concreto geopolimérico curado termicamente; a extensão da degradação dependeu da
concentração e do período de exposição. Todavia, o concreto geopolimérico apresentou
resistência ao ataque ácido significativamente superior à do concreto de cimento Portland.
FIG. 2.31 - Resistência à compressão (MPa) do CCG após exposição à solução de ácido
sulfúrico (WALLAH e RANGAN, 2006).
50
FIG. 2.32 - Mudança do peso unitário, com a idade, para o concreto geopolimérico curado
termicamente (WALLAH e RANGAN, 2006).
PEREIRA (2006) avaliou a tenacidade à fratura, as resistências à compressão, à tração na
flexão e por compressão diametral do concreto geopolimérico obtido a partir da combinação
de metacaulim (como fonte principal de alumínio e silício), de cimento Portland de alto-forno
(como fonte de cálcio) e de uma solução alcalina composta por hidróxido de potássio e
silicato de sódio alcalino reforçado com fibras de aço com baixo teor de carbono.
O concreto geopolimérico apresentou melhor resistência à tração na flexão (em função do
teor de fibras) que o concreto de Cimento Portland. Isto se deve ao fato do concreto
geopolimérico apresentar interface aço-matriz com propriedades superiores de aderência e
compacidade quando comparada ao do concreto Portland. “As resistências à tração dos CCG
foram 15,0%, 15,7%, 6,2%, 17,0% e 15,3% superiores àquelas apresentadas pelos CCP com
teores de fibras iguais a 0,0%, 0,5%, 1,0%, 1,5% e 2,0%, respectivamente”.
A maior capacidade de absorção de energia antes da fratura dos compósitos de cimento
geopolimérico está associada à sua microestrutura massiva de baixa porosidade e à melhor
qualidade da interface fibra/matriz que apresenta maior compacidade do que a interface
fibra/matriz dos compósitos de cimento Portland e à ausência de cristais fracos de Portlandita
(PEREIRA, 2006).
SILVA (2006) avaliou o comportamento do concreto geopolimérico quanto à fadiga sob
carregamento cíclico, visando a sua aplicação para a pavimentação.
O estudo deste comportamento foi realizado por meio de ensaios dinâmicos, nos dois
tipos de concretos (geopolimérico e de cimento Portland), avaliando os efeitos de diferentes
freqüências, tensões (máxima, mínima, crescente e decrescente), idades e teores de fibras.
O ensaio de fadiga com tensão constante e freqüência de 10 Hz buscou caracterizar uma
51
estrutura submetida a solicitações de alto ciclo (como ocorre nos pavimentos rodoviários). Os
resultados de fadiga nas diversas variações realizadas mostraram um melhor desempenho do
CCG. Sua resistência à fadiga, quanto à aplicação de tensões da ordem de 70% da resistência
estática do concreto, apresentou valores 15% mais elevadas em relação à mesma tensão
aplicada no CCP. Já em tensões mais altas, em torno de 80%, esses resultados chegaram a
valores 96% mais elevados para o CCG. Nos demais ensaios mecânicos realizados, o CCG
apresentou melhores resultados em relação ao CCP. A adição de fibras de aço no CCG
promoveu resultados mais satisfatórios em relação ao comportamento à fadiga do que no CCP
(FIG. 2.33). Devido à rapidez de polimerização do geopolímero, o CCG adquire a maior parte
de sua resistência logo nas primeiras idades, o que não acontece com o CCP, pois o cimento
Portland ganha resistência de acordo com o seu processo de hidratação – mais lento que a
geopolimerização.
0 7 14 21 28
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000 CCG
Núm
ero
de c
iclo
s
Idade (dias)
CCP
FIG. 2.33 - Evolução da resistência à fadiga, em diferentes idades para ambos os concretos
(SILVA, 2006).
A adesão entre o geopolímero e diferentes materiais foi e provavelmente continua sendo
investigada por diversos autores. Nesta revisão, foi comentada a adesão do geopolímero com
fibras de basalto, wollastonita, polipropileno e aço, além de sua análise interfacial com os
agregados. O concreto geopolimérico, em todos estes casos, apresentou capacidade de adesão
bem superior à do concreto Portland, independentemente das matérias-primas empregadas na
sua produção.
LATELLA et al. (2005) avaliaram a adesão entre vidro e aço através do geopolímero. Os
52
autores determinaram a energia de fratura interfacial através de uma aproximação com a
mecânica da fratura. Obtiveram, para a resina geopolimérica, os valores de energia liberada na
fratura na faixa de 0,4 J/m2 a 1,0 J/m2. Esta faixa é equivalente à dos adesivos epóxi.
53
3 MATERIAIS E MÉTODOS
A produção das pastas e concretos geopoliméricos deste estudo seguiu a metodologia
desenvolvida pelo Laboratório de Materiais Conjugados do IME. Os métodos de ensaio dos
concretos e das pastas de cimento geopolimérico foram os mesmos normalizados para o
cimento Portland.
Para a obtenção destes compósitos foram utilizados metacaulim e cinza volante como
fontes de alumínio e silício e, CP III (Cimento Portland de Alto Forno) como fonte de cálcio.
Para a ativação alcalina foi utilizado hidróxido de potássio (KOH) para garantir o pH
necessário à geopolimerização e silicato de sódio alcalino (fonte suplementar de silício) em
solução. Dois diferentes tipos de silicato de sódio alcalino foram utilizados na síntese dos
compósitos; o silicato comercial (formulação bicomponente) e o silicato alternativo
(formulação monocomponente), preparado no Laboratório de Compósitos do IME.
Durante a síntese dos compósitos, o silicato comercial, que tem cerca de 50% de água, é
diluído na solução de KOH e água, enquanto que, o alternativo usa sílica micronizada, cuja
solubilização é iniciada no momento de preparo das pastas e concretos.
As formulações continham na composição da pasta porcentagens variáveis de cinza
volante nos valores de zero; 25; 50; 75 e 100% em relação à quantidade volumétrica de
metacaulim. As resistências à compressão e à tração (por compressão diametral) foram
avaliadas para os concretos geopoliméricos nas idades de 1; 3; 7 e 28 dias.
Foram produzidos, para cada variação da quantidade de matérias-primas efetuada e cada
idade analisada, o mínimo de dois corpos de prova moldados de acordo com a NBR 5738
(1994). Os corpos de prova foram desmoldados após 24 horas e a cura realizada ao ar e à
temperatura ambiente até a data dos ensaios.
Os ensaios de resistência à compressão e à tração (por compressão diametral) dos corpos
de prova cilíndricos (10 x 20 cm) foram efetuados de acordo com a NBR 5739 (1994) e a
NBR 7222 (1994) respectivamente, e realizados no Laboratório de Materiais Conjugados do
IME utilizando uma prensa hidráulica da marca Contenco, modelo I3022, com capacidade
para 100 toneladas.
Ao final dos ensaios, os resultados da resistência à compressão e à tração consideraram a
média obtida para dois corpos de prova pertinentes a cada ensaio.
A consistência dos concretos geopoliméricos foi avaliada através do “slump test”
(abatimento do tronco de cone) de acordo com a NBR NM 67.
54
As pastas geopoliméricas foram sintetizadas, com as mesmas composições usadas nos
concretos geopoliméricos, para realização das análises microestruturais (MEV, DRX,
TGA/DTA e de densidade). A paralisação da reação foi feita através da imersão das amostras,
nas idades desejadas, em etanol por três dias consecutivos (YUNSHENG, 2007).
A reologia das pastas geopoliméricas foi avaliada utilizando um viscosímetro rotacional
da marca Fann, modelo 35 A, constituído por cilindros coaxiais. As metodologias de ensaio e
da avaliação reológica foram as mesmas utilizadas por SOUZA (2005), que aplicou o modelo
de Bigham para o geopolímero.
A análise por Microscopia Eletrônica de Varredura, das superfícies de fratura das pastas
geopoliméricas, foi efetuada no Laboratório de Microscopia Eletrônica do IME, utilizando um
aparelho da marca JEOL, modelo JSM 5800 –LV, com filamento de tungstênio e acoplado
com dispositivo para EDS (Espectroscopia por Dispersão de Energia).
A análise de densidade foi realizada em um aparelho AccuPyc 1330 Pycnometer,
Operator Manual V2.01 à Hélio (He) da Micrometics Instrument Corporation. O preparo da
amostra consistiu em pesagem e secagem em estufa a vácuo a 100 C até peso constante.
Foram realizadas 15 purgas antes do início da leitura. As análises foram feitas em duplicatas e
o resultado adotado de cada análise foi o decorrente da média de cinco leituras.
A análise térmica das pastas geopoliméricas foi realizada no CETEM (Centro de
Tecnologia Mineral), utilizando um equipamento TGA/DTA simultâneo, modelo SDT 2960
TA Instruments, nas seguintes condições de operação: taxa de aquecimento de 20ºC/minuto
na faixa da temperatura ambiente a 1000ºC, atmosfera de nitrogênio e vazão de gás de 110
ml/minuto.
A análise de Difração de raios X (DRX) também foi efetuada no CETEM. Os
difratogramas de raios X (DRX) das amostras, obtidos pelo método do pó, foram coletados
em um equipamento Bruker-D4endeavor, nas seguintes condições de operação: radiação Co
K (35 kV/40 mA); velocidade do goniômetro de 0,02o 2 por passo com tempo de contagem
de 1 segundo por passo e coletados de 5 a 80º 2. As interpretações qualitativas de espectro
foram efetuadas por comparação com padrões contidos no banco de dados PDF02 (ICDD,
2006) em software Bruker DiffracPlus.
A análise de Infravermelho com Transformada de Fourier foi realizada no
CETEM, utilizando um espectrofotômetro da marca BOMEM, modelo MB102, com
detector DTGS (alanina dopada com sulfato de triglicina deuterada), janelas de iodeto
de césio (CsI) e acessório de reflectância difusa. Para a obtenção dos espectros, 10mg
55
do material foram misturados com 220mg de KBr. Foram realizadas 100 varreduras
para cada amostra a uma velocidade de 20 varreduras/min e resolução de 4cm-1. O
espectro foi analisado na região de 3500 a 400cm-1.
As análises de Ressonância Magnética Nuclear de baixo campo foram realizadas no
Instituto de Macromoléculas da UFRJ, em um equipamento da marca Resonance Maran Ultra.
As análises foram realizadas em duplicata.
3.1 DESCRIÇÃO DOS MATERIAIS
3.1.1 CIMENTO GEOPOLIMÉRICO
Cinza Volante: fornecida pela Pozosul S.A. e pertencente à classe F (baixo teor de
cálcio), classificada de acordo com a ASTM C 618 – 94. A composição química (% em
massa) e características físicas da cinza volante utilizada neste estudo estão apresentadas na
Tabela 3.1; seu difratograma de raios X indicando a presença de quartzo e mulita (FIG. 3.1); e
seu espectro de infravermelho (FIG. 3.2). O espectro de infravermelho da cinza volante
identificou vibrações relacionadas à deformação axial da hidroxila da água (3000 a 2902 cm-1)
e da ligação H-O-H (1877 a 1841 cm-1); à presença de CO32- (1484 a 1450 cm-1); ao
estiramento assimétrico das ligações Si-O-Si e Al-O-Si (1079 cm-1); à ligação Si-O-Al (573
cm-1) (FIG. 3.2):
TAB. 3.1: Composição química e características físicas da cinza volante.
Óxidos Porcentagem em massa SiO2 57,70 Al2O3 24,20 Na2O 1,60 CaO 4,00 K2O 2,60
Fe2O3 5,00 MgO 1,30 TiO2 1,40 H2O 0,10
Massa Específica (kg/dm³): 2,32
Área Específica Blaine (m²/kg): 312,33 Fonte: Pozosul S.A.
56
FIG. 3.1 – Difratograma da cinza volante (Pozosul S.A.) indicando a presença de quartzo e
mulita.
57
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
0
20
40
60
80
100
120
1079
2902
573
148
4
187
2
T
rans
mitâ
ncia
Número de onda (cm-1)
FIG. 3.2 – Espectro de infravermelho da cinza volante.
CP III-40 RS: fabricado pela Mizu S.A. cuja composição química, propriedades
mecânicas e físicas estão apresentadas nas Tabelas 3.2 e 3.3, e atendem à NBR 5735/1991. O
difratograma de raios X para o CP III-40 RS (Mizu S.A.) indica a presença de C3S (Ca3SiO4),
calcita (CaCO3) e larnita (C2S), mas outras fases não assinaladas podem estar presentes, tais
como C3S, brownmilerita C4AF e C3A (3CaOAl2O3) (FIG. 3.3). O espectro de infravermelho
do CP III-40 RS identificou vibrações referentes à deformação axial da hidroxila da água
(3000 a 2902 cm-1) e da ligação H-O-H (1841 cm-1); à presença de CO32- (1484 a 1450 cm-1);
ao estiramento da ligação Si-O (931 cm-1); à ligação Si-O (498-450 cm-1).
TAB. 3.2: Composição química do CP III- 40RS Mizu.
Compos. Química % % % %
P. Fogo Ri SO3 CaO Livre
2,21 0,95 2,19 1,53
2,14 0,89 2,58 1,58
2,1 0,9 2,41 1,55
2,39 0,82 2,65 1,61
2,91 0,64 2,74 1,59
1,82 0,39 2,28 1,4
2,42 0,45 2,46 1,42
Fonte: Mizu S.A.
58
TAB. 3.3 – Dados de resistência à compressão e propriedades físicas do CP III- 40RS Mizu.
Resistência a Compressão Massa Espec.
Área espec. Finura Expansib. Pega
(MPa) (MPa) (MPa) (g/cm3) (m2/kg) (%) (%) (mm) (min.) (min.) 03
Dias 07 Dias 28 Dias (Blaine) #325 #200 quente Início Fim
15 25,4 46,2 2,93 434 1 0,3 0 210 265
16,5 26 45,9 2,93 471 1 0,2 0 200 260
16,4 31,4 2,93 438 1 0,3 0 210 260
17,6 32,3 2,93 440 1,3 0,8 0 200 250
20,8 34,9 2,93 466 1 0,3 0 195 245
20,9 30,1 2,93 469 1,3 0,6 0 190 240
19 29,8 2,93 436 1 0,3 0 195 245
Fonte: Mizu S.A.
FIG. 3.3 – Difratograma do CP III-40 RS (Mizu S.A.) indicando a presença de calcita e
larnita.
59
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
0
10
20
30
40
50
60
931
498
1125
1450
1841
2905
3000
Tran
smitâ
ncia
Número de ondas (cm- 1) FIG. 3.4 – Espectro de infravermelho do CP III-40 RS.
Metacaulim: fornecido pela Metacaulim do Nordeste S.A. As composições químicas e
físicas encontram-se na TAB. 3.3. Sua composição química e características físicas estão na
TAB. 3.3. O difratograma deste metacaulim indica a presença de caulinita e muscovita
(FIG.3.5). O seu espectro de infravermelho identificou vibrações atribuídas à deformação
axial da hidroxila da água (3000-2902 cm-1); à deformação axial da ligação H-O-H (1877-
1841 cm-1); ao estiramento assimétrico da ligação Si-O-Si e Al-O-Si (1079 cm-1); ao
estiramento da ligação Si-OH (875 cm-1); à ligação Si-O (498-450 cm-1) (FIG.3.6).
TAB. 3.4: Composição química e características físicas do metacaulim.
Óxidos Porcentagem em massa SiO2 52,9 Al2O3 44,5 CaO 0,19 K2O 1,24 Fe2O3 0,61 TiO2 0,08 H2O 0,35
Massa Específica (kg/m³): 2,52
Área Específica Blaine (m²/kg): 512,09 Fonte: Metacaulim do Nordeste S.A.
60
FIG. 3.5 – Difratograma do metacaulim indicando a presença de caulinita e muscovita.
3500 30 00 2500 2 000 1500 1000 500 0
0
10
20
30
40
50
60
70
450
875
1079
1872
2916
Tra
nsm
itânc
ia
Número de ondas (cm-1)
FIG. 3.6 – Espectro de infravermelho do metacaulim.
61
Silicato de Sódio: na formulação chamada “bicomponente”, foi utilizado silicato de
sódio (Na2SiO3nH2O) alcalino grau comercial, fornecido pela Prosil S.A. Suas características
físicas e químicas estão apresentadas na Tabela 3.4. Na formulação chamada
“monocomponente”, foi utilizado o silicato de sódio alternativo produzido no Laboratório de
Materiais Conjugados a partir de microssílica, NaOH e água, na proporção de 0,35:0,18:0,47,
em massa, atendendo à mesma composição química do silicato comercial.
TAB. 3.5: Composição química do silicato de sódio industrializado e sua massa específica.
Óxidos Porcentagem em massa
SiO2 32,95
Na2O 14,95
H2O 52,10 Massa Específca (kg/dm³): 1,57
Fonte: Prosil S.A.
Microssílica: fornecida pela Elkem S.A. e utilizada, nesta dissertação, na composição do
silicato alternativo. Sua composição química e características físicas estão na TAB. 3.5. O
espectro de difração de raios X da microssílica não apresentou picos definidos, revelando ser
um material totalmente amorfo (FIG. 3.7). O espectro de infravermelho da microssílica
identificou vibrações referentes à deformação axial da hidroxila da água (3000-2902 cm-1); à
deformação axial da ligação H-O-H (1877-1841 cm-1); à presença de CO32- (1484-1450 cm-1);
ao estiramento da ligação Si-O (1125-813 cm-1); à ligação Si-O (498-450 cm-1) (FIG. 3.8).
TAB. 3.6: Composição química e características físicas da microssílica.
Óxidos Porcentagem em massa
SiO2 94,40 Na2O 0,57 K2O 1,15
Massa Específica (kg/m³): 2,65
Área Específica (m²/kg): 22500 Fonte: Elkem S.A.
62
FIG. 3.7 – Difratograma da microssílica revelando amorficidade do material.
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
0
20
40
60
80
463
813
1107
1457
1877
290729
93
Tran
smitâ
ncia
Número de ondas (cm- 1)
FIG. 3.8 – Espectro de infravermelho da microssílica.
63
Hidróxido de Potássio (KOH): foi utilizado hidróxido de potássio grau comercial,
fabricado pela Panamericana S.A. Suas características físicas estão apresentadas na TAB. 3.6:
TAB. 3.7: Características físicas do KOH.
Estado físico Sólido higroscópico
Aparência Escamas
Cor Branca
Massa específica 2,59 kg/dm³
Ph 14
Solubilidade em água Total
Fonte: SILVA, 2006.
Hidróxido de Sódio (NaOH): foi utilizado hidróxido de sódio grau comercial, fabricado
pela Panamericana S.A. Suas características físicas estão apresentadas a seguir (TAB. 3.7):
TAB. 3.8: Características físicas do NaOH.
Estado físico Sólido higroscópico
Aparência Escamas
Cor Branca
Massa específica 2,50 kg/dm³
Ph 14
Solubilidade em água Total
Fonte: Panamericana S.A.
3.1.2 AGREGADOS
Agregado miúdo: foi utilizada areia de rio passante na peneira 4,8 mm para os concretos
geopoliméricos.
Agregado graúdo: foi utilizada brita de graduação zero, com módulo de finura igual a
5,70 e dimensão máxima característica de 9,5 mm (caracterizada conforme as Normas
Brasileiras 7217/1987 e 7211/1983), classificada como cianito em ensaio petrográfico,
conforme dados da pedreira Vigné Ltda, fornecedora da brita.
64
3.2 PLANO DE EXPERIMENTOS
Para a pesquisa experimental deste trabalho, dez diferentes composições de cimento
geopolimérico foram produzidas. Estas composições variaram quanto às adições cinza
volante/metacaulim e quanto ao tipo de silicato de sódio utilizado na solução alcalina de
ativação.
A relação entre adições cinza volante/metacaulim variou nas porcentagens de 0%; 25%;
50%; 75% e 100%. Os cimentos geopoliméricos compostos por 100% de cinza volante não
continham metacaulim em sua formulação.
Dois tipos de silicato de sódio, para a ativação alcalina dos cimentos geopoliméricos,
foram utilizados; o silicato de sódio de grau comercial e o silicato de sódio alternativo,
produzido no Laboratório de Compósitos Conjugados do IME. O silicato de grau comercial
foi solubilizado em água e KOH antes do processo de produção dos compósitos
geopoliméricos. Por este motivo, a formulação dos compósitos ativados com o silicato de
grau comercial foi considerada “bicomponente”. Já o silicato de sódio alternativo foi
produzido a partir da combinação de microssílica, NaOH e água, misturados apenas durante a
síntese dos compósitos, sem solubilização prévia. Sendo assim, a formulação dos compósitos
ativados com o silicato alternativo foi considerada “monocomponente”.
Para cada variação na adição de metacaulim e cinza volante, foram produzidos
compósitos geopoliméricos com formulação “bicomponente” e “monocomponente”,
totalizando desta forma, dez composições diferentes.
Foram produzidos 160 corpos de prova cilíndricos (10 x 20 cm) de concretos
geopoliméricos para a avaliação das resistências à tração (por compressão diametral) e à
compressão.
65
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 CONCRETOS GEOPOLIMÉRICOS – RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO
Os resultados de resistência à compressão (em função da composição e idade) obtidos
para os concretos geopoliméricos de formulação bicomponente revelaram a mais alta
resistência, 54,44 MPa, para a composição com 25% de cinza volante aos 28 dias de idade
(FIG. 4.1). O mesmo aconteceu para os concretos geopoliméricos de composição
monocomponente, com a resistência atingindo o valor de 42,83 MPa aos 28 dias de idade,
para o mesmo teor de cinza volante (25%) (FIG. 4.2). Para o concreto geopolimérico de
formulação bicomponente, composto por 50% e 100% de cinza volante, na idade de sete dias,
ocorre uma queda na resistência à compressão que, aos 28 dias de idade, já está recuperada
(FIG.4.1).
Por meio dos gráficos, é possível observar que a partir do aumento do teor de cinza
volante, a resistência à compressão se reduz. Esta redução no desempenho mecânico, com o
aumento do teor de cinza volante, está associada ao fato da cinza volante, ao contrário do
metacaulim, ser um resíduo industrial, e conter níveis de impurezas, como Fe e Ca, que
adicionam caminhos de reações no geopolímero, conhecidos por causarem grandes mudanças
nas propriedades dos materiais durante a síntese e no produto final, conforme comentado por
Duxson et al (2007), mais adiante. Outro fator atribuído a esta redução é a ausência de Al,
presente em maior quantidade no metacaulim.
Estes resultados também comprovam o fato de que a resistência aumenta à medida que a
idade aumenta (como citado anteriormente no CAP.2), já que o tempo destinado ao equilíbrio
das reações é maior, favorecendo desta maneira, a estabilidade química do material. A
resistência à compressão do concreto geopolimérico de formulação bicomponente, para a
composição com 25% de cinza volante, após 24 horas de cura, já representava quase 40% de
sua resistência aos 28 dias de idade – ou seja, o concreto geopolimérico atinge altas
resistências logo nas primeiras horas de cura.
A importância da rápida aquisição de resistência está interligada com a reconstrução de
estruturas de concreto que precisam ser reabilitadas para uso, como pistas de pouso em
aeroportos e pontes, ou com a construção de novas estruturas, aonde a demora neste processo
causaria transtornos e prejuízos.
Nas FIG. 4.1 e 4.2, também está plotada a curva de resistência do concreto de cimento
66
Portland (CP III), calculada de acordo com a NBR 6118/2003, em seu item 12.3.3.
FIG. 4.1 – Resistência à compressão dos concretos geopoliméricos de formulação
bicomponente em função da idade e teor de cinza volante.
67
FIG. 4.2 – Resistência à compressão dos concretos geopoliméricos de formulação
monocomponente em função da idade e teor de cinza volante.
Segundo Khale e Chaudhary (2007), os geopolímeros possuem alto ganho de resistência
inicial. Os geopolímeros se diferem substancialmente do cimento Portland pelo fato de
obterem a integridade estrutural a partir de um caminho de reação totalmente diferente. Os
cimentos Portland pozolânicos dependem da presença de C-S-H (silicato de cálcio hidratado)
para a formação da matriz e ganho de resistência enquanto, os geopolímeros utilizam a
policondensação dos precursores de sílica e alumina (cinza volante, caulim, metacaulim, entre
outros) e um alto teor de álcali para atingirem resistência estrutural – os argilominerais
reagem durante o tratamento alcalino e formam aluminosilicato hidratado.
Outro fator atribuído ao rápido desenvolvimento da resistência mecânica do material é o
teor de CaO presente na cinza volante - “a formação de silicato de cálcio hidratado, hidratos
aluminatos de cálcio e silicoaluminatos de cálcio hidratados é possível e, em muitos casos, as
altas resistências iniciais alcançadas para as combinações de cimentos geopoliméricos podem
ser atribuídas à formação destes compostos” (VAN JAARSVELD et al., 2003).
Na literatura, vários autores empregam os mesmos materiais usados nesta dissertação,
entretanto as distintas condições experimentais dificultam a comparação. A seguir serão
68
relatados alguns dos geopolímeros (e seus comportamentos mecânicos) descritos na literatura.
HARDJITO et al. (2004b) avaliaram a resistência à compressão de concretos
geopoliméricos usando apenas cinza volante (com baixo teor de cálcio). Encontraram, para a
idade de sete dias, valores de resistência à compressão variando entre 20 e 70 MPa, de acordo
com a razão água-sólidos e a tempertura de cura (entre 20 e 100ºC). Na mesma idade, para um
tempo de cura térmica maior que 100 horas, a resistência atingiu valores acima de 80 MPa.
Para os concretos geopoliméricos curados por 24 horas a 60ºC, a
resistência variou entre 45 e 60 MPa, na idade de sete dias, de acordo com a porcentagem de
superplastificante adicionada. Ainda no mesmo regime de cura, porém nas idades entre 20 e
100 dias, a resistência permaneceu na faixa de 60 MPa.
PALOMO et al. apud Khale e Chaudhary (2007) reportaram que a pureza da cinza
volante exerce um importante papel no desenvolvimento da resistência mecânica do material,
obtido após a ativação. Van Jaarsveld et al.apud Khale e Chaudhary (2007) relataram que as
mudanças na superfície das partículas de cinza volante afetam as propriedades de pega inicial
da mistura geopolimérica, isto porque o mecanismo de dissolução e subseqüente
geopolimerização envolve o transporte inicial de íons hidroxila para a superfície das
partículas de cinza volante, seguido da hidrólise e da formação de silicatos e aluminatos.
PALOMO et al. (2007) avaliaram a resistência mecânica de pastas compostas por 30% de
Portland e 70% de cinza volante álcali-ativadas. A resistência à compressão das amostras foi
medida nas idades de dois e 28 dias. As mais altas resistências foram obtidas para os sistemas
ativados com silicato de sódio e NaOH e, as mais baixas resistências, para os sistemas
ativados apenas com solução de NaOH. Quanto à mineralogia, os difratogramas de raios X
revelaram que as pastas que foram hidratadas apenas com água pura se comportaram como o
cimento Portland normal – a portlandita foi o principal produto da hidratação do clínquer,
embora sua quantidade decrescesse com o tempo de cura, como resultado das reações
pozolânicas e carbonatação. As pastas sintetizadas com solução de NaOH mostraram que
consideráveis quantidades de alita (C3S) poderiam ainda ser detectadas após 28 dias de
hidratação, ou seja, a taxa de hidratação deste silicato anidro no clínquer, neste caso, foi mais
branda.
Recentemente foi relatado que o efeito de cátions Ca2+ adicionados e a forma em que são
adicionados desempenham um importante papel nas propriedades físicas finais do
geopolímero. Em particular, a adição de soluções altamente alcalinas às cinzas volantes
contendo qualquer quantidade de cálcio promove a rápida dissolução do cálcio seguida da
69
precipitação de Ca(OH)2 - como conseqüência, o pH da solução de ativação se reduz devido à
remoção dos íons OH- (VAN DEVENTER et al., 2007).
BAKHAREV (2005) investigou o efeito de diferentes regimes de cura e tipos de
ativadores alcalinos (silicato de sódio e hidróxido de sódio) no desenvolvimento da resistência
e nos produtos de hidratação de geopolímeros à base de cinza volante com baixo teor de
cálcio. A resistência se desenvolveu melhor para uma concentração de sódio na solução igual
a 8%, tanto para as misturas preparadas com solução de silicato de sódio quanto para as
preparadas com solução de hidróxido de sódio. Espectros de difração de raios X mostraram
que as principais fases formadas nas amostras geopoliméricas eram amorfas e apenas nos
casos de materiais preparados com soluções de hidróxido de sódio, fases zeolíticas semi-
cristalinas estavam presentes. Os produtos zeolíticos formados dependiam do regime de cura
térmica. Já no caso de materiais preparados com soluções de silicato de sódio,
independentemente do regime de cura aplicado, todas as fases foram essencialmente amorfas
aos raios X.
SUMAJOUW et al.(2005b) obtiveram 40 MPa de resistência à compressão para pilaretes
(altura de 150 cm e seção transversal 10 x 17,5 cm) de concretos geopoliméricos armados
baseados em cinza volante com taxa de reforço longitudinal igual a 1,47% e, 60 MPa, para os
que possuíam taxa de reforço longitudinal igual a 2,95%, em diferentes idades (não
mencionadas).
THOMAZ (2000) encontrou 59 MPa de resistência à compressão para concretos
geopoliméricos à base de metacaulim (sem reforço longitudinal) na idade de 28 dias.
SILVA (2006) obteve resistências à compressão para o concreto geopolimérico à base de
metacaulim nos valores de 29,23 MPa para a idade de 24 horas; 51,15 MPa para a idade de
sete dias e, 55,88 MPa, para a idade de 28 dias.
PEREIRA (2006) encontrou para os concretos geopoliméricos, na idade de sete dias,
resistência à compressão igual 51,15 MPa quando nenhum teor de fibras de aço curtas foi
adicionado e, 52,73 MPa, quando 0,5% de fibras foi adicionado (em volume).
É importante relatar que devido às diferentes fontes existentes, as cinzas volantes (tais
como outras matérias-primas) residuais se diferenciam quanto à composição química,
mineralogia, solubilidade e tamanho de partícula - o que influencia no processo de
geopolimerização e nas propriedades finais do material.
70
4.2 CONCRETOS GEOPOLIMÉRICOS – RESISTÊNCIA À TRAÇÃO POR
COMPRESSÃO DIAMETRAL
Nesta dissertação, a resistência à tração indireta dos concretos geopoliméricos,
semelhantemente à de compressão, aumentou de acordo com o avanço da idade e reduziu com
o aumento do teor de cinza volante presente na mistura. A maior resistência à tração foi
obtida para a composição com formulação bicomponente, contendo 0% de cinza volante aos
28 dias de idade (FIG. 4.3). Para os concretos de formulação monocompomente, a maior
resistência também foi obtida para a composição com 0% de cinza volante aos 28 dias de
idade, apesar da composição com 25% de cinza volante ter alcançado resistência próxima
(FIG. 4.4).
Os valores das resistências à tração (indireta) para os concretos de formulação
bicomponente contendo de 0 a 25% de cinza volante, em relação às idades de três, sete e 28
dias, se mantiveram próximos, na faixa de 4,0 a 5,0 MPa (FIG.4.3). O mesmo não ocorreu
para os concretos de formulação monocomponente, havendo grande diferença na taxa de
desenvolvimento da resistência em relação às idades (FIG. 4.4). Esta diferença pode estar
associada à atuação mais branda da solução de ativação contendo silicato de sódio alternativo
em relação à solução de ativação contendo silicato de grau comercial, o que retarda o ganho
de resistência inicial do material.
71
FIG. 4.3 - Resistência à tração indireta dos concretos geopoliméricos com formulação
bicomponente em função da composição e idade.
72
FIG. 4.4 - Resistência à tração indireta dos concretos geopoliméricos com formulação
monocomponente em função da composição e idade.
O silicato de sódio, por atuar como ativador alcalino, exerce um importante papel na
formação das ligações geopoliméricas e conseqüente desenvolvimento da resistência do
material, pois o geopolímero alcança ordem estrutural durante a álcali-ativação. A diferença
entre o silicato comercial e o alternativo, na síntese do geopolímero, está no tempo de reação,
enquanto o comercial já está todo solubilizado antes do processo de produção do concreto
geopolimérico, o alternativo inicia a sua solubilização durante o processo de produção do
concreto geopolimérico - por este motivo, os concretos geopoliméricos de formulação
monocomponente apresentaram, principalmente nas primeiras idades, valores de resistência
mais baixos que os de formulação bicomponente, já que tiveram um tempo de álcali-ativação
menor.
SILVA (2006) avaliou a resistência à tração por compressão diametral para o concreto
geopolimérico e para o concreto Portland, ambos na idade de sete dias. Encontrou a
resistência à tração para o concreto geopolimérico no valor de 5,2 MPa e, para o concreto
Portland, este valor foi de 4,5 MPa – 15% inferior em relação ao obtido para o concreto
geopolimérico. A resistência à tração na flexão em corpos de prova prismáticos
73
(100x100x400 mm) também foi avaliada por este autor, tanto para o concreto Portland quanto
para o geopolimérico. O concreto geopolimérico apresentou a resistência à tração na flexão de
5,9 MPa e, o concreto Portland, apresentou esta resistência em um valor bem próximo, 5,4
MPa, mas ainda assim inferior ao obtido pelo geopolimérico.
ZHAO et al. (2007) incorporaram malhas de ferro inoxidável em matriz geopolimérica a
fim de obterem um compósito geopolimérico com acentuada ductilidade para aplicação
estrutural. Testes de flexão em quatro pontos mostraram um comportamento de ruptura dúctil
– não catastrófica destes compósitos. Exposições a altas temperaturas, 800ºC/30 minutos e
1050ºC/duas horas, resultaram em decréscimo da resistência à ruptura (41 MPa para 80ºC, 24
MPa para 800ºC e 18 MPa para 1050ºC) comparada com a das amostras tais como
processadas (sem exposição a altas temperaturas). Todavia a boa ductilidade dos compósitos
foi mantida, mesmo após o tratamento térmico, o que faz deste novo material um forte
candidato (considerando que se tenha um aço resistente a altas temperaturas) para as
aplicações aonde a ruptura catastrófica, sob fogo ou altas temperaturas, precisa ser evitada.
PEREIRA (2006) obteve 5,20 MPa de resistência à tração por compressão diametral para
o concreto geopolimérico sem nenhum teor de fibras de aço incorporado (em volume). Já para
os concretos geopoliméricos com 0,5%; 1,0%; 1,5% e 2,0% de fibras adicionadas (em
volume), a resistência à tração atingiu os valores de 6,26 MPa; 7,68 MPa; 9,09 MPa e 8,73
MPa, respectivamente. Os valores encontrados para a resistência à tração na flexão foram bem
próximos – (5,46 MPa para 0% de fibra incorporada, 6,09 MPa para 0,5% de fibras
incorporadas; 7,98 MPa para 1,0% de fibras incorporadas; 9,11 MPa e 9,22 MPa para 1,5% e
2,0% de fibras incorporadas, respectivamente).
4.3 CONCRETOS GEOPOLIMÉRICOS – ABATIMENTO DO TRONCO DE CONE
Verifica-se através do “slump test” (abatimento do tronco de cone) que ocorre uma
redução na consistência do concreto geopolimérico à medida que a relação cinza volante/
metacaulim aumenta – o metacaulim, além de possuir maior área específica que a cinza
volante, também adsorve água entre suas lamelas, o que torna a mistura mais viscosa. A
forma física (esférica) da cinza volante a faz funcionar como um lubrificante, além do CaO
presente em sua composição que aumenta a plasticidade do material. Também pode ser
observado que os concretos geopoliméricos monocomponentes apresentam menor abatimento
74
– maior consistência - em relação aos bicomponentes, comprovando a maior viscosidade do
silicato alternativo em relação ao comercial (TAB. 4.1 e 4.2). Esta maior viscosidade ocorre
devido ao aprisionamento da água pela microssílica, aumentando a tensão superficial do
material.
TAB. 4.1: Resultado do “slump test” para os concretos geopoliméricos de formulação
bicomponente em função do teor de cinza volante.
Cinza volante/metacaulim (%)
Abatimento (mm)
0 20 25 36 50 150 75 161 Bi
com
pone
nte
100 180
TAB. 4.2: Resultado do “slump test” para os concretos geopoliméricos de formulação
monocomponente em função do teor de cinza volante.
Cinza volante/metacaulim (%)
Abatimento (mm)
0 0 25 0 50 0 75 4,0
Mon
ocom
pone
nte
100 6,0
CHINDAPRASIRT et al. (2007) analisaram a trabalhabilidade e a resistência de
argamassas geopoliméricas sintetizadas a partir de cinza volante com alto teor de cálcio.
Verificaram que o aumento da concentração de hidróxido de sódio e de silicato de sódio
reduziu a trabalhabilidade do material. Relataram que, para a produção de geopolímeros com
altas resistências (> 65 MPa), a razão ótima de silicato de sódio para hidróxido de sódio foi na
faixa de 0,67 – 1,0. O efeito da variação da concentração molar de NaOH, entre 10 e 20 M,
teve pequena influência na resistência das argamassas. Os geopolímeros com as mais altas
resistências foram obtidos quando um tempo de descanso de uma hora entre a desmoldagem e
a cura térmica foi utilizado.
Como anteriormente comentado, Hardjito et al. (2004b) verificaram que a adição de
superplastificante à base de naftaleno melhorou a trabalhabilidade do concreto geopolimérico,
75
porém a sua adição acima de 2,0% (em massa por cinza volante) foi prejudicial para a
resistência à compressão do material. Através da experiência em laboratório, estes autores
notaram que o concreto geopolimérico pôde ser trabalhado por até 120 minutos antes de
entrar em pega. Os valores do “slump test” encontrados por eles variaram entre 3,0 e 24,0 cm,
de acordo com a mistura utilizada.
4.4 CONCRETOS GEOPOLIMÉRICOS – INTERFACE MATRIZ-AGREGADOS
Visando verificar a influência da idade e da composição na interface matriz-agregados, os
concretos geopoliméricos bicomponentes e monocomponentes, contendo zero; 25; 50; 75 e
100% de cinza volante, nas idades de 1 dia e 28 dias, foram analisados por microscopia
eletrônica de varredura (FIG. 4.5 a 4.14).
As micrografias mostram que a interface matriz-agregados apresenta maior aderência e
aspecto menos poroso para as pastas com idade de 28 dias, revelando que um tempo de cura
de 1 dia é insuficiente para a consolidação desta interface.
É possível observar também, nas micrografias, que a interface matriz-agregados foi
melhor para os concretos bicomponentes. Nos concretos monocomponentes, a atuação
deficiente do silicato alternativo (presente na solução de ativação) comprometeu a qualidade
da interface que, por sua vez, refletiu no desempenho mecânico do material, resultando em
baixas resistências (visto anteriormente).
O acréscimo de cinza volante na composição dos concretos (bicomponentes e
monocomponentes) foi outro fator que influenciou a qualidade da interface matriz-agregados,
danificando-a (FIG. 4.5 a 4.14). A redução na capacidade de transferência de tensão entre os
agregados e a matriz, provocada pelo aumento da porosidade com o aumento do teor de cinza
volante, justifica as baixas resistências obtidas pelos concretos de formulação
monocomponente.
76
a b
FIG. 4.5 – Micrografias mostrando a interface matriz-agregado dos concretos bicomponentes
contendo 0% de cinza volante: a) 1 dia; b) 28 dias.
a b
FIG. 4.6 – Micrografias mostrando a interface matriz-agregado dos concretos bicomponentes
contendo 25% de cinza volante: a) 1 dia; b) 28 dias.
agregado
agregado
agregado
agregado
agregado
77
a b
FIG. 4.7 - Micrografias mostrando a interface matriz-agregado dos concretos bicomponentes
contendo 50% de cinza volante: a) 1 dia; b) 28 dias.
a b
FIG. 4.8 - Micrografias mostrando a interface matriz-agregados dos concretos bicomponentes
contendo 75% de cinza volante: a) 1 dia; b) 28 dias.
agregado
agregado
agregado agregado
78
FIG. 4.9 - Micrografias mostrando a interface matriz-agregados dos concretos bicomponentes
contendo 100% de cinza volante: a) 1 dia; b) 28 dias.
a b
FIG. 4.10 - Micrografias mostrando a interface matriz-agregados dos concretos
monocomponentes contendo 0% de cinza volante: a) 1 dia; b) 28 dias.
a b
agregado agregado
agregado agregado
79
a b
FIG. 4.11 - Micrografias mostrando a interface matriz-agregados dos concretos
monocomponentes contendo 25% de cinza volante: a) 1 dia; b) 28 dias.
a b
FIG. 4.12 - Micrografias mostrando a interface matriz-agregados dos concretos
monocomponentes contendo 50% de cinza volante: a) 1 dia; b) 28 dias.
agregado
agregado
agregado
agregado
80
a b
FIG. 4.13 - Micrografias mostrando a interface matriz-agregados dos concretos
monocomponentes contendo 75% de cinza volante: a) 24 horas; b) 28 dias.
a b
FIG. 4.14 - Micrografias mostrando a interface matriz-agregados dos concretos
monocomponentes contendo 100% de cinza volante: a) 1 dia; b) 28 dias.
4.5 PASTAS GEOPOLIMÉRICAS – MASSAS ESPECÍFICAS
As massas específicas das pastas geopoliméricas com formulações bicomponente e
monocomponente foram avaliadas paras as composições com 0%; 50% e 100% de cinza
volante nas idades de 24 horas e 28 dias (FIG. 4.15 e 4.16).
agregado
agregado
agregado agregado
agregad
81
Massa específica das pastas - 24 horas
bi = 0,0032x + 2,19R2 = 0,9046
mono = -0,0004x + 2,5133R2 = 0,9231
2,10
2,20
2,30
2,40
2,50
2,60
0 25 50 75 100
cinza volante/metacaulim (%)
mas
sa e
spec
ífica
(g/c
m³)
monocomponente
bicomponente
Linear(bicomponente)
Linear(monocomponente)
FIG. 4.15 – Massa específica das pastas monocomponentes e bicomponentes na idade de 24
horas.
Massa específica das pastas - 28 dias
mono = 2,505e-0,0001x
R2 = 0,75
bi = 2,1541e0,0013x
R2 = 0,96032,10
2,20
2,30
2,40
2,50
2,60
0 25 50 75 100
cinza volante/metacaulim (%)
mas
sa e
spec
ífica
(g/c
m³)
monocomponente
bicomponente
Expon.(monocomponente)
Expon.(bicomponente)
FIG. 4.16 – Massa específica das pastas monocomponentes e bicomponentes na idade de 28
dias.
Observa-se que a variação das massas específicas em relação ao tempo foi pequena, para
ambas as formulações. No caso das pastas de formulação bicomponente, as massas
específicas foram crescentes à medida que o teor de cinza volante aumentou. Porém, nas
pastas de formulação monocomponente este comportamento foi inverso, ou seja, as massas
específicas decresceram com o aumento do teor de cinza volante (FIG. 4.15 e 4.16). Isto pode
estar relacionado ao baixo desempenho do silicato alternativo, presente nas soluções de
ativação das pastas monocomponentes.
82
PERERA et al. (2007) encontrou valores de densidades entre 1,38 e 1,47 g/cm³ para
geopolímeros à base de metacaulim curados termicamente.
4.5.1 PASTAS GEOPOLIMÉRICAS – REOLOGIA
A reologia das pastas geopoliméricas de formulação bicomponente foi avaliada através de
ensaio no viscosímetro rotacional Fann de modelo 35 A, utilizando 600, 300; 200; 100; 6 e 3
rotações por minuto (rpm), em leitura realizada a cada 5 minutos, respectivamente. No
intervalo entre cada leitura, a rotação do viscosímetro permaneceu constante a 200 rpm.
Verifica-se que viscosidade plástica e o limite de escoamento das pastas, bicomponentes
e monocomponentes, decresceram com o aumento da quantidade de cinza volante presente na
composição, corroborando com os resultados de “slump test” dos concretos. SOUZA (2005),
no estudo de pastas geopoliméricas sintetizadas com diferentes proporções entre metacaulim e
cinza volante, também encontrou maior viscosidade para as pastas que continham maior teor
de metacaulim. Esta maior viscosidade ocorre devido as partículas de metacaulim possuírem
maior área específica em relação às de cinza volante, além de também, como todas as argilas,
adsorverem água ente as suas lamelas, o que torna a mistura mais viscosa.
A viscosidade plástica das pastas aumentou com o decorrer do tempo, como
conseqüência do processo de solubilização e reordenamento pela geopolimerização (FIG. 4.17
a 4.20).
As pastas geopoliméricas de formulação monocomponente, compostas por zero e 25% de
cinza volante, não obtiveram leitura no viscosímetro devido à alta coesão inicial do material -
por causa da alta coesão, as pastas monocomponentes obtiveram maior viscosidade e limite de
escoamento que as bicomponentes (FIG. 4.19 e 4.20), porém, as resistências à tração (por
compressão diametral) e à compressão dos concretos de formulação monocomponente foram
inferiores aos de formulação bicomponente.
83
Viscosidade plástica das pastas geopoliméricas - bicomponentes
0
5000
10000
15000
20000
0 25 50 75 100
cinza volante/ metacaulim (%)
Visc
osid
ade
Plás
tica
(cP)
5 minutos15 minutos20 minutos40 minutos
FIG. 4.17 – Viscosidade plástica das pastas geopoliméricas de formulação bicomponente
versus teor de cinza volante em função do tempo de leitura.
Limite de escoamento das pastas geopoliméricas - bicomponentes
0
5
10
15
20
25
30
0 25 50 75 100
cinza volante/ metacaulim (%)
Lim
ite d
e Es
coam
ento
(lb
f/100
pe²
)
1 minuto5 minutos10 minutos
FIG. 4.18 - Limite de escoamento das pastas geopoliméricas de formulação bicomponente
versus teor de cinza volante em função do tempo de leitura.
84
Viscosidade plástica das pastas geopoliméricas - monocomponentes
0
5000
10000
15000
20000
0 25 50 75 100
cinza volante/ metacaulim (%)
Visc
osid
ade
Plás
tica
(cP)
5 minutos15 minutos20 minutos40 minutos
FIG. 4.19 – Viscosidade plástica das pastas geopoliméricas de formulação monocomponete
versus teor de cinza volante em função do tempo de leitura.
Limite de escoamento das pastas geopoliméricas - monocomponentes
0
20
40
60
80
100
120
140
0 25 50 75 100
cinza volante/ metacaulim (%)
Lim
ite d
e Es
coam
ento
(lb
f/100
pe²
)
1 minuto5 minutos10 minutos
FIG. 4.20 - Limite de escoamento das pastas geopoliméricas de formulação monocomponente
versus teor de cinza volante em função do tempo de leitura.
4.5.2 PASTAS GEOPOLIMÉRICAS – ANÁLISE MICROESTRUTURAL
Análises por elétrons secundários no MEV revelaram que as pastas de formulação
bicomponentente (FIG. 4.21) apresentam uma matriz mais compacta que as de formulação
monocomponente (FIG. 4.22). Isto justifica o fato dos concretos de formulação
monocomponente terem apresentado resistências mais baixas que os de formulação
bicomponente.
85
a b
FIG. 4.21 – Micrografias (MEV) da pasta de formulação bicomponente com 25% de cinza
volante e idade de 28 dias, apresentando uma matriz compacta: a)aumento de 170x; b)outra
região da mesma amostra com aumento de 1500x.
a b
FIG. 4.22– Micrografias (MEV) da pasta de formulação monocomponente com 25% de cinza
volante e idade de 28 dias, apresentando uma matriz porosa: a) aumento de 170x; b) outra
região da mesma amostra com aumento de 1500x.
Segundo Khale e Chaudhary (2007), a utilização de matérias-primas com alta reatividade
favorece um concreto geopolimérico com alta resistência. Nesta dissertação, partículas de
cinza volante não reagida são observadas nas micrografias das pastas de composição
monocomponente, contendo 100% de cinza volante nas idades de um e 28 dias (FIG. 4.23).
86
a b
FIG. 4.23 – Partículas de cinza volante não reagidas observadas para a pasta de formulação
monocomponente, composta por 100% de cinza volante nas idades: a) 1 dia; b) 28 dias.
Partículas de metacaulim não reagidas são observadas nas pastas bicomponentes
compostas por 100% de metacaulim (0% de cinza volante), nas idades de um e 28 dias (FIG.
4.24). Para a mesma composição, porém na idade de um dia, observa-se uma partícula de
cimento Portland não reagido (FIG. 4.25).
A presença de matérias-primas não reagidas pode estar associada à baixa reatividade da
matéria-prima e/ou à álcali-ativação insuficiente do material – sendo assim, é recomendável,
para trabalhos futuros, o cálculo de uma nova dosagem de ativadores.
a b
FIG. 4.24 – Partículas de metacaulim não reagido observadas para a pasta de formulação
bicomponente, composta por 100% de metacaulim nas idades: a) 1 dia; b) 28 dias.
87
FIG. 4.25 – Partícula de cimento Portland não reagido observada para a pasta de formulação
bicomponente, composta por 100% de metacaulim, na idade de 1 dia.
Nas pastas de formulação bicomponente, compostas por 100% de cinza volante, foram
encontradas partículas de cinza volante não reagidas nas idades de um dia, três dias, sete dias
e 28 dias (FIG. 4.26).
a b
c d
88
FIG. 4.26 – Partículas de cinza volante não reagida encontradas na pasta de formulação
bicomponente, composta por 100% de cinza volante, nas idades de: a) 1 dia; b) três dias; c)
sete dias; d) 28 dias.
Duxson et al. (2007) constataram que há grandes diferenças entre as estruturas do
metacaulim e da cinza volante. O metacaulim é sintetizado pela desidroxilação do caulim
puro. Enquanto a temperatura e o tempo de calcinação do caulim afetam a área superficial,
grau de desidroxilação e reatividade, a estrutura básica é uma estrutura de filosilicato
interrompida que contém apenas silício e alumínio. Embora a maioria dos metacaulins
comerciais contenha impurezas, tais como quartzo, muscovita e minerais ferro-titaníferos, o
efeito destas impurezas é limitado, tanto pela baixa dissolução quanto pela falta de habilidade
dos produtos de suas dissoluções afetarem o mecanismo de formação do geopolímero.
O tamanho de partícula do metacaulim geralmente é menor que 5 µm, com o tamanho
intrínseco da argila na ordem de 20 nm. Embora a dispersão das partículas durante a mistura
afete o comportamento reológico e o grau de reação de algum modo, foi comprovado que há
uma pequena diferença na reação do geopolímero à base de metacaulim com a variação da
área superficial das matérias-primas, apesar das quantidades de silicato solúvel e cátion
alcalino na solução de ativação afetarem a extensão da reação.
Em contraste, a cinza volante é um resíduo industrial que não se deriva de um material
inicial bem definido. A cinza volante é formada essencialmente por silício, alumínio e óxidos
de ferro e alto teor de cálcio - no caso das cinzas volantes da classe C. As partículas de cinza
volante são esféricas, mas não homogêneas, possuem essencialmente fases vítreas e fases
cristalinas em pequenas quantidades. A distribuição do tamanho de partículas pode ser muito
ampla e as distintas frações de tamanho irão se diferenciar nas composições elementares e
fásicas. A inclusão de impurezas na composição química do geopolímero, como o cálcio e o
ferro das cinzas volantes, tem o efeito de adicionar caminhos de reações durante a
geopolimerização.
Estes caminhos de reações são conhecidos por causarem grandes mudanças nas
propriedades dos materiais durante a síntese e no produto final, como resultado de mudanças
no tempo de pega, trabalhabilidade, resistência e retração.
VAN DEVENTER et al. (2007) avaliaram micrografias por MEV de geopolímeros à base
de metacaulim e geopolímeros à base de cinza volante. Para geopolímeros baseados em
metacaulim pôde ser observada uma microestrutura mais homogênea, contendo pouca
89
evidência de matérias-primas que não foram reagidas. Em contraste, a microestrutura dos
geopolímeros à base de cinza volante continha grandes quantidades de materiais que não
reagiram ligados ao gel geopolimérico. “Apesar das grandes diferenças no comportamento
físico destas duas amostras, afigura-se que a fase ligante responsável pela resistência
mecânica possui similar estrutura molecular e microestrutura nos dois casos” (VAN
DEVENTER et al., 2007).
Conforme comentado acima, observa-se uma microestrutura com menor evidência de
materiais não reagidos para a pasta bicomponente composta por 100% de metacaulim (FIG.
4.27 a) em relação à pasta bicomponente composta por 100% de cinza volante (FIG. 4.27 b),
ambas com 24 horas de idade.
a b
FIG. 4.27 – Micrografias (MEV) para amostras bicomponentes com 1 dia de idade compostas
por: a) 100% de metacaulim; b) 100% de cinza volante.
Os resultados de resistência à compressão revelaram que a composição com 75% de
metacaulim e 25% de cinza volante foi a que obteve maior resistência (e não a com 100% de
metacaulim, como se esperava). Desta forma, a presença de até 25% de cinza volante tende a
contribuir para a melhoria da resistência à compressão do geopolímero, porém, acima de 25%,
foi prejudicial. Sendo assim, a fase ligante responsável pela resistência mecânica nos dois
materiais pode até ter similaridades moleculares, como deduzido por van Deventer et al.
(2007), porém, uma matéria-prima quimicamente mais estável, como o metacaulim, ainda
exerce principal papel no desempenho mecânico do material.
DUXSON et al. (2007) mostraram que alguns aspectos da estrutura intrínseca e
propriedades dos polímeros inorgânicos, tais como algumas propriedades extrínsecas, podem
ser conhecidos através da seleção de matéria-prima apropriada e processo de mistura.
90
Encontraram que os mesmos tipos de ligação silício e alumínio e o mesmo ligante fase gel
estavam presentes tanto nos sistemas geopoliméricos à base de cinza volante, quanto nos
sistemas geopoliméricos à base de metacaulim. Este tipo de estrutura gel é referida como
bifásica, com ligante aluminosilicato e água formando as duas fases. Observaram que a
microestrutura do geopolímero baseado em metacaulim modificou-se, passando de uma
microestrutura com grandes poros para uma microestrutura mais homogênea e com poros
menores ao aumentarem a razão Si/Al. Esta observação foi ligada a uma forte correlação com
o módulo de Young e com grandes aumentos na resistência mecânica. Apesar das
similaridades nas estruturas moleculares e nanoestruturais, as diferenças nas propriedades de
geopolímeros derivados de diferentes matérias-primas foram claramente evidentes. Através da
análise de difratogramas de raios X, verificaram que a álcali-ativação da cinza volante
(aumentando o tempo de tratamento térmico) deu origem à formação de fases cristalinas
identificadas como hersquelita (Na- chabazita) e hidroxisodalita – tipo zeólitas. A análise do
difratograma de um geopolímero sintetizado com metacaulim revelou que, apesar do material
inicialmente ser amorfo, evidências do mesmo mecanismo de reação responsável pela
formação do geopolímero e da zeólita puderam ser observadas, com formação de zeólita
dentro de sete dias após a síntese. A reação alcalina hidrotermal do caulim, metacaulim, cinza
volante e alguns outros materiais aluminosilicatos resulta na formação de zeólitas com várias
redes distintas, dependendo das condições de reação, tais como temperatura, cátion alcalino,
razão Si/Al, etc.
VAN JAARSVELD et al. (2003) fizeram um estudo caracterizando as matérias-primas
em geopolímeros à base de cinza volante. Segundo os autores, a geopolimerização ocorre
através de um mecanismo envolvendo a dissolução do alumínio e do silício advindos da
superfície das matérias-primas e da hidratação da superfície das partículas residuais não-
dissolvidas, seguidas da polimerização dos grupos ativos e espécies solúveis para formar um
gel e subsequentemente uma estrutura geopolimérica endurecida.
SUBAER e VAN RIESSEN (2006) investigaram o caráter microestrutural e termo-
mecânico de geopolímeros (polisiloxossialtos de sódio) à base de metacaulim com e sem a
presença de quartzo e granito como agregados. Os geopolímeros foram ativados com solução
de silicato de sódio acrescida de hidróxido de sódio. As amostras foram curadas a 70ºC por
duas horas. Foram realizadas análises termogravimétricas e termodiferenciais (TG-DTA). A
máxima resistência à compressão, 85 ± 8 MPa, foi alcançada para a mistura com razão Si/Al
= 1,5. A incorporação de agregados de quartzo ou granito teve um efeito insignificante na
91
resistência à compressão do material. Micrografias de MEV mostraram as partículas de
agregados sendo separadas da superfície do geopolímero; nenhum agregado fraturado foi
observado - isto indica que não houve aderência suficiente entre a matriz e os agregados para
a transferência de esforços, comprometendo assim, o desempenho mecânico do material.
DOMBROWSKI et al. (2007) avaliaram a influência do teor de cálcio no desempenho do
ligante geopolimérico à base de cinza volante ativado com NaOH (8 mol/l), especialmente na
resistência contra ataques ácidos. Para isto, cinza volante (0-20%) foi substituída por
diferentes quantidades de hidróxido de cálcio (em pó). Paralelamente às fases zeolíticas, o
cálcio desenvolveu, nos geopolímeros com altas quantidades de cálcio (20% de substituição
da cinza volante por cálcio), a fase C-S-H (silicato de cálcio hidratado) a partir do silício da
cinza volante. As misturas com baixo teor de cálcio apresentaram maiores resistências após
um longo período de cura, apesar de inicialmente terem se comportado pior que as misturas
com cinza pura. As misturas com alto teor de cálcio apresentaram melhora na resistência tanto
nas primeiras idades quanto em idades avançadas. Através das medidas de densidade e de
micrografias por MEV, verificou-se que as matrizes com maior teor de hidróxido de cálcio
foram mais compactas e densas. As resistências ao ataque ácido dos geopolímeros à base de
cinza volante não foram afetadas com o aumento do teor de cálcio, provavelmente devido à
notável presença da fase zeolítica nestes ligantes, mesmo contendo alto teor de cálcio.
PANAGIOTOPOULOU et al.(2006) avaliaram o comportamento em relação à lixiviação
do caulim, metacaulim, cinza volante, pozolana natural, zeólita e escória de alto forno em
solução alcalina. As variáveis de estudo foram o tipo de metal alcalino (Na ou K), a
concentração da solução alcalina (2,5; 5 e 10 M) e o tempo de lixiviação (5, 10 e 24 horas).
Concluíram que a habilidade de lixiviação do Al e do Si está de acordo com a ordem
decrescente: metacaulim > zeólita > escória> cinza volante > pozolana > caulim. A extensão
da dissolução é mais alta nas soluções de NaOH que KOH. O silício e o alumínio parecem ter
um comportamento de lixiviação sincronizado em ambas as soluções alcalinas. O metacaulim
foi o material mais afetado; quase 75% do Al e do Si foram removidos do sólido quando
usado o NaOH e, quando usado o KOH, 45% do Al e do Si foram removidos. O caulim foi o
material menos afetado, apenas 6% do Al e do Si foram lixiviados. O difratograma de raios X
para os resíduos da escória lixiviada mostraram uma fase cristalina correspondente à
Portlandita. A escória analisada continha um alto teor de CaO (41,10%) e à medida que a rede
aluminosilicato começou a se decompor, devido ao ataque da solução alcalina, os cátions Ca2+
se locomoveram na solução e se precipitaram na forma de Ca(OH)2 – por esta razão, os
92
geopolímeros baseados em escória de alto forno apresentaram fases de silicato de cálcio
hidratado (C-S-H). No caso do metacaulim, os resíduos do sólido estavam completamente
amorfos. Os resíduos dos sólidos da cinza volante ainda continham quartzo, porém os
feldspatos foram completamente dissolvidos.
SKVARA et al. (2005) estudaram pastas e argamassas geopoliméricas baseadas em cinza
volante. Segundo os autores, o tempo de pega, as propriedades reológicas e os valores das
resistências dos compósitos de cinza volante ativados com solução alcalina são influenciados
pelo teor de água, pela razão SiO2/Na2O e pela concentração de Na2O. O início e o período de
pega destes compósitos são difíceis de serem determinados porque estas misturas ganham
consistência rapidamente. Os valores da resistência são substancialmente afetados pela
temperatura e pela duração da ativação alcalina. Os valores máximos de resistência foram
adquiridos com seis a 12 horas de cura na temperatura entre 60 e 80ºC. Valores ótimos de
resistência foram obtidos para uma concentração de Na2O na faixa de 7 a 10% e a razão SiO2/
Na2O variando de 1,0 a 1,4. A presença de materiais contendo cálcio, por exemplo, cimento,
escória, calcário, dolomita e gesso, exercem uma influência importante nos compósitos de
cinza volante álcali-ativados – estes materiais exercem um efeito favorável, com o tempo, no
desenvolvimento da resistência. Os íons cálcio entram na estrutura Si-O-Al-O e compensam a
carga nos átomos de alumínio – geralmente este balanceamento é feito pelos íons Na+ mas,
todavia, é bem provável que os íons Ca2+ interconectem as cadeias individuais Si-O-Al-O
dando origem a uma estrutura mais forte caracterizada por altos valores de resistência.
As misturas contendo calcário (como agregado miúdo) obtiveram valores de resistência
bem mais altos comparados com as que continham areia padrão como agregado miúdo.
Análises feitas por EDS na superfície de fratura das amostras mostraram que a maior parte do
produto hidratado era formada por silicoaluminatos de sódio hidratados – apenas uma parte
minoritária era formada provavelmente por vidro solúvel polimerizado e uma substituição
parcial de Si por Al tomou lugar neste caso.
PERERA et al. (2007) investigaram a influência da temperatura de cura, entre 40ºC -
60ºC, em geopolímeros a base de metacaulim sob umidade controlada. Afirmaram que, assim
como nos materiais cerâmicos, a presença da porosidade faz com que a resistência mecânica
dos materiais geopoliméricos decresça exponencialmente – a resistência nos geopolímeros é
altamente dependente da porosidade. Segundo os autores, esta porosidade depende da
quantidade de água presente nas matérias-primas, como no cimento Portland, onde a
resistência mecânica decresce com o aumento da razão água/cimento, à medida que a
93
trabalhabilidade aumenta.
4.5.3 PASTAS GEOPOLIMÉRICAS – DIFRAÇÃO DE RAIOS X
O estudo do geopolímero utilizando difração por raios X é difícil pelo fato de grande
parte de sua estrutura ser amorfa, apresentando halo difuso em 2θ entre 20 e 40º. O grau de
desordem do geopolímero pode ser deduzido através da maneira em que este difrata os raios
X para a formação do espectro de difração. Como se sabe, no estado não-cristalino, a difração
por raios X resulta em um halo difuso, ao invés de picos individuais bem espaçados e
definidos. No espectro de geopolímeros à base de cinza volante, picos de quartzo, mulita e
hematita correspondentes à parte cristalina da cinza volante surgem em região 2θ entre 20º e
30º, e picos entre 6º - 10º e 16º, que referem-se ao aluminosilicato amorfo (KHALE e
CHAUDHARY, 2007).
Na análise de raios X para as matérias-primas utilizadas nos experimentos desta
dissertação, o difratograma da cinza volante (FIG. 3.1) indicou a presença de quartzo e mulita.
Já o difratograma do metacaulim industrializado (FIG. 3.5), indicou a presença de caulinita,
revelando que as condições de calcinação não foram adequadas para que houvesse a
transformação de toda a caulinita em metacaulinita, desfavorecendo assim, a reatividade do
metacaulim.
Porém, os difratogramas das pastas geopoliméricas de formulação bicomponente,
compostas por metacaulim (50 e 100%), não indicaram a presença de caulinita, indicando
que, provavelmente, a caulinita tenha reagido com a solução de ativação, neste caso (FIG.
4.28 e 4.29).
94
FIG. 4.28 – Difratograma da pasta geopolimérica contendo 100% de metacaulim, de
formulação bicomponente e idade de 24 horas, indicando apenas a presença de calcita, sem
indicação da presença de caulinita.
95
FIG. 4.29 – Difratograma da pasta geopolimérica contendo 50% de metacaulim e 50% de
cinza volante, de formulação bicomponente e idade de 24 horas, indicando a presença de
calcita e quartzo, sem indicação da presença de caulinita.
Já os difratogramas das pastas geopoliméricas de formulação monocomponente,
compostas por 50 e 100% de metacaulim, nas idades de 24 horas e 28 dias, revelaram a
presença da caulinita (FIG.4.30 a 4.32). Esta informação confirma as observações feitas sobre
a atuação mais branda da solução de ativação contendo silicato alternativo em relação à
solução de ativação contendo silicato de grau comercial.
FIG. 4.30 - Difratograma da pasta geopolimérica contendo 100% de metacaulim, de
formulação monocomponente e idade de 24 horas, indicando a presença de caulinita.
96
FIG. 4.31 – Difratograma da pasta geopolimérica contendo 100% de metacaulim, de
formulação monocomponente e idade de 28 dias, indicando a presença de caulinita.
97
FIG. 4.32 – Difratograma da pasta geopolimérica contendo 50% de metacaulim, de
formulação monocomponente e idade de 28 dias, indicando a presença de caulinita.
Nos difratogramas para as pastas geopoliméricas com idades de 24 horas e 28 dias, de
ambas as formulações, compostas por 100% de cinza volante, observa-se a presença de
quartzo e mulita. Isto mostra que as fases cristalinas da cinza volante permaneceram intactas
durante a geopolimerização, mesmo após 28 dias (FIG. 4.33 e 4.34).
FIG. 4.33 – Difratograma da pasta composta por 100% de cinza volante, com 24 horas,
indicando a presença de mulita e quartzo.
98
FIG. 4.34 – Difratograma da pasta composta por 100% de cinza volante, com 28 dias,
indicando a presença de mulita e quartzo.
4.5.4 PASTAS GEOPOLIMÉRICAS – ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA (TGA) E
TÉRMICA DIFERENCIAL (DTA)
Os termogramas das pastas geopoliméricas de formulação bicomponente e
monocomponente, com zero; 50 e 100% de cinza volante, nas idades de 24 horas e 28 dias
revelaram um pico endotérmico na faixa de temperatura de 80 a 100ºC referente à perda de
água por evaporação. Rahier et al. (2007) encontraram, em termogramas de DSC
(Calorimetria Diferencial de Varredura) para geopolímeros à base de metacaulim, um pico
endotérmico na faixa de temperatura de 100-150ºC, relacionado à evaporação da água e um
pico exotérmico, entre 950-1100ºC, referente à cristalização da nefelina. Dombrowski et al.
(2007) também encontraram, em difratogramas para geopolímeros à base de cinza volante
substituída parcialmente (8%) por hidróxido cálcio, tratados termicamente, um pico
relacionado à cristalização da nefelina a 800ºC.
Nesta dissertação, as pastas geopoliméricas de formulação bicomponente apresentaram
um pico exotérmico em torno da temperatura de 800ºC. Este pico pode ser atribuído à
99
cristalização da nefelina. No caso das pastas geopoliméricas de formulação monocomponente
(silicato alternativo), não foi observada a presença deste pico, provavelmente devido à
atuação mais branda da solução contendo silicato alternativo em relação à solução com
silicato de grau comercial (FIG. 4.35 a 4.46).
FIG. 4.35 - Termograma da pasta geopolimérica com 0% de cinza volante, formulação
monocomponente e idade de 24 horas.
100
FIG. 4.36 - Termograma da pasta geopolimérica com 50% de cinza volante, de formulação
monocomponente e idade de 24 horas.
FIG. 4.37 - Termograma da pasta geopolimérica com 100% de cinza volante, de formulação
monocomponente e idade de 28 dias.
101
FIG. 4.38 - Termograma da pasta geopolimérica com 0% de cinza volante, de formulação
monocomponente e idade de 28 dias.
FIG. 4.39 - Termograma da pasta geopolimérica com 50% de cinza volante, de formulação
monocomponente e idade de 28 dias.
102
FIG. 4.40 - Termograma da pasta geopolimérica com 100% de cinza volante, de formulação
monocomponente e idade de 28 dias.
FIG. 4.41 - Termograma da pasta geopolimérica com 0% de cinza volante, de formulação
bicomponente e idade de 24 horas.
103
FIG. 4.42 - Termograma da pasta geopolimérica com 50% de cinza volante, de formulação
bicomponente e idade de 24 horas.
FIG. 4.43 - Termograma da pasta geopolimérica com 100% de cinza volante, de formulação
bicomponente e idade de 24 horas.
104
FIG. 4.44 - Termograma da pasta geopolimérica com 0% de cinza volante, de formulação
bicomponente e idade de 28 dias.
FIG. 4.45 - Termograma da pasta geopolimérica com 50% de cinza volante, de formulação
bicomponente e idade de 28 dias.
105
FIG. 4.46 - Termograma da pasta geopolimérica com 100% de cinza volante, de formulação
bicomponente e idade de 28 dias.
SUBAER e van RIESSEN (2006) submeteram amostras de geopolímeros à base de
metacaulim à análise térmica (da temperatura ambiente à 900ºC). As amostras que foram
curadas a 70ºC retiveram 15% da água, dos quais 8,5% foram perdidos antes dos 135ºC. A
curva DTA mostrou apenas um pico endotérmico localizado a 135ºC devido à desidratação.
Curvas de dilatação mostraram que entre 250ºC e 900ºC o geopolímero é dimensionalmente
estável. Apenas uma pequena perda de água (em torno de 15%), associada à retração (em
torno de 2%), ocorre entre a temperatura de 23ºC e 250ºC.
SKVARA et al (2005), observaram, para a cinza volante álcali-ativada, a ocorrência de
produtos hidratados amorfos (tipo gel). Dados da análise térmica revelaram que o teor de água
decresceu continuamente de acordo com a temperatura. Este comportamento pôde ser
verificado mesmo para as amostras analisadas com 360-720 dias após seu preparo.
Observa-se, nas pastas monocomponentes, que a perda de massa (água) para a idade de 1
dia, acima do teor de 50% de cinza volante, foi crescente. Já para a idade de 28 dias, para as
composições com teores de cinza volante acima de 50%, não houve alteração significativa da
perda de massa (água) (FIG. 4.47).
106
Perda de massa (TGA) até 1000ºC - monocomponente
232425262728
0 50 100
cinza volante/metacaulim (%)
Perd
a de
águ
a (%
)
24 horas28 dias
'
FIG. 4.47 – Perda de massa para as pastas de formulação mocomponente versus composição
(% de cinza volante) em função da idade.
Já no caso das pastas de formulação bicomponente, é provável que o ganho de água que
ocorreu entre 1 e 28 dias, representado no gráfico pela perda de massa, esteja associado à
adsorção de umidade do meio pelo compósito geopolimérico, mesmo após endurecido – como
ocorre com o cimento Portland (FIG. 4.48).
Perda de massa (TGA) até 1000ºC -bicomponente
15
20
25
0 50 100
cinza volante/metcaulim (%)
Perd
a de
águ
a (%
)
24 horas28 dias
FIG. 4.48 – Perda de massa para as pastas de formulação bicomponente verus composição (%
de cinza volante) em função da idade
107
4.5.5 PASTAS GEOPOLIMÉRICAS – ANÁLISE POR INFRAVERMELHO
Pastas geopoliméricas compostas por zero; 50 e 100% de cinza volante,
monocomponentes e bicomponentes, foram analisadas por espectroscopia de infravermelho
com transformada de Fourier, a fim de identificar as vibrações dos grupos funcionais, as
substituições e alterações nas amostras. Para as pastas de ambas as formulações, nas idades de
24 horas e 28 dias, os espectros de infravermelho não mostram mudanças que possam ter
ocorrido nas vibrações dos grupos funcionais, decorrentes da substituição do metacaulim por
cinza volante, do avanço da idade ou do tipo de silicato alcalino utilizado (FIG. 4.49 a 4.52).
Segundo Lee e van Deventer (2003b), os geopolímeros à base de cinza volante podem
apresentar bandas características em 950-1250 cm-1 (estiramento assimétrico Si-O-Si e Al-O-
Si); 1165 cm-1 (estiramento assimétrico Si-O-Si); 1115-1140 cm-1 (estiramento asimétrico Si-
O-Si e Al-O-Si); 1077 cm-1 (estiramento assimétrico Si-O-Si e Al-O-Si); 950-980 cm-1 (Si-O,
estiramento Si-O-Na ou Si-O-K); 882 cm-1 (estiramento Si-O e ligação Si-OH); 798 cm-1
(estiramento simétrico Si-O-Si); 727 cm-1 (estiramento simétrico Si-O-Si e Al-O-Si); 620 cm-1
(estiramento simétrico Si-O-Si e Al-O-Si); 561 cm-1 (estiramento simétrico Al-O-Si); 466 cm-
1 (ligação Si-O-Si e O-Si-O).
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0-10
0
10
20
30
40
50
60
(c) 100% CV
(b) 50% CV
(a) 0% CV
Tran
smitâ
ncia
Número de ondas (cm-1)
FIG. 4.49 – Espectro de infravermelho das pastas bicomponentes, na idade de 24 horas,
compostas por: a) 0% de cinza volante; b) 50% de cinza volante; c) 100% de cinza volante.
108
FIG. 4.50 - Espectro de infravermelho das pastas bicomponentes, na idade de 28 dias,
compostas por: a) 0% de cinza volante; b) 50% de cinza volante; c) 100% de cinza volante.
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
0
50
100
150
200
250
300
350
(c) 100% CV
(b) 50% CV
(a) 0% CV
Tran
smitâ
ncia
Número de ondas (cm-1)
FIG. 4.51 – Espectro de infravermelho das pastas monocomponentes, na idade de 24 horas,
compostas por: a) 0% de cinza volante; b) 50% de cinza volante; c) 100% de cinza volante.
109
FIG. 4.52 - Espectro de infravermelho das pastas monocomponentes, na idade de 28 dias,
compostas por: a) 0% de cinza volante; b) 50% de cinza volante; c) 100% de cinza volante.
SOUZA (2005), analisando os espectros de infravermelho de geopolímeros à base de
escória de alto forno, contendo relação cinza volante/metacaulim igual a 100% e 75%,
verificou que houve o deslocamento da banda principal (correspondente às vibrações das
ligações Si-O e Al-O) de 1083 cm-1 para 1000 cm-1 e o desaparecimento de uma banda com
máximo em 800 cm-1, com o surgimento de uma nova banda em 765 cm-1. O autor atribuiu ao
deslocamento das bandas para faixas de vibrações mais baixas, a substituição dos grupos
SiO4-4 por grupos AlO4
-3, com a diferença de carga sendo compensada pelos íons alcalinos.
110
4.5.6 PASTAS GEOPOLIMÉRICAS – RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR
(RMN)
Amostras das pastas geopoliméricas com formulações bicomponente e monocomponente,
compostas por zero; 50; e 100% de cinza volante, nas idades de 6 horas, 12 horas, 24 horas e
três dias, foram analisadas por RMN de baixo campo.
A técnica RMN de baixo campo é utilizada para determinar o tempo de relaxação dos
núcleos dos átomos de hidrogênio pertencentes à amostra e identificar os diferentes domínios
de mobilidade da amostra e seus principais componentes, além do domínio que controla este
processo de relaxação.
Através dos tempos de relaxação dos núcleos de H da água contida nos compósitos
geopoliméricos, é possível acompanhar as mudanças ocorridas nos geopolímeros à medida
que se altera a relação das matérias-primas (cinza volante/metacaulim) utilizadas, como
também as mudanças ocorridas neste material com o passar do tempo. O estado de
conservação - tempo de prateleira – da solução de ativação do geopolímero, quando estocada
antes do uso, também pode ser averiguado através dos tempos de relaxação dos núcleos de
hidrogênio presentes na água da solução.
Nas pastas analisadas nesta dissertação, verificou-se que, com o aumento da relação cinza
volante/metacaulim, o tempo de relaxação nuclear aumentou. Este aumento no tempo de
relaxação deve-se à redução do número de íons presentes na solução de poro dos concretos
geopoliméricos à medida que o teor de cinza volante aumenta. Sendo assim, os núcleos de H
têm menor probabilidade de colidir com outros átomos (o que reduziria o tempo de relaxação
e faria o átomo de H retornar ao seu estado normal de energia). Nota-se contudo que, aos três
dias de idade, ocorreu redução no tempo de relaxação, provavelmente devido ao rearranjo
molecular. No caso das pastas de formulação bicomponente, o tempo de relaxação dos
núcleos de hidrogênio foi maior, revelando um material com maior rigidez molecular (TAB.
4.3).
111
TAB. 4.3 : Tempo de Relaxação Nuclear das pastas geopoliméricas.
Composição (cinza volante/metacaulim %) Idade
Tempo de Relaxação
Nuclear (ms)
Monocomponentes 6 horas 2,5
12 horas 2,2 24 horas 2,6
0%
3 dias 2,1
6 horas 1983 12 horas 1383 24 horas 1735
50%
3 dias 1681
6 horas 12141 12 horas 3146 24 horas 2592
100%
3 dias 6581 Bicomponentes
6 horas 1997 12 horas 2310 24 horas 2150
0%
3 dias 2133
6 horas 7818 12 horas 6599 24 horas 5605
50%
3 dias 4792
6 horas 12101 12 horas 13180 24 horas 13917
100%
3 dias 5197
DUXSON et al. (2007) através da deconvolução do espectro de RMN do silício, obtiveram
que o ordenamento químico do silício e do alumínio nos geopolímeros e a extensão relativa
da incorporação de Si4+ e Al3+ (“tetraedricamente” coordenados e ligados por pontes de
oxigênio) na rede do gel geopolimérico foram significativamente afetados pela matéria-prima
e as condições de reação, além da natureza do cátion alcalino presente. A base para a variação
no ordenamento químico dos geopolímeros sintetizados com metacaulim, por exemplo, situa-
112
se na preferência energética para ligações entre átomos distintos dentro da rede
aluminosilicato, sendo que as ligações Si-O-Al são geralmente preferidas. A extensão em que
esta preferência é expressa é determinada pelo tipo de cátion alcalino, com Na+ tendo uma
preferência maior que K+. Na análise dos espectros de RMN do metacaulim, do geopolímero
baseado em metacaulim, da cinza volante e do geopolímero à base de cinza volante, foi
possível observar as transformações químicas e microestruturais tomando lugar durante o
processo de álcali-ativação. Os espectros do metacaulim e da cinza volante apresentaram um
pico largo mostrando a extensão de sítios de Si nestes precursores. A diferença entre os
espectros dos precursores e dos geopolímeros está associada à formação de um gel
aluminosilicato exibindo certo grau de ordem estrutural (adquirido durante o processo de
álcali-ativação).
113
5 CONCLUSÕES
A partir dos dados obtidos, tanto para a resistência à compressão, tanto para a de tração
indireta dos compósitos geopoliméricos, pôde-se observar que o tempo tem papel importante
no desenvolvimento de resistência destes compósitos. Porém, a resistência à compressão do
concreto geopolimérico composto por 25% de cinza volante e 75% de metacaulim, para a
formulação bicomponente, após 24 horas de cura, já representava quase 40% da resistência
aos 28 dias de idade. Isto confirma a capacidade que cimento geopolimérico apresenta de
adquirir altas resistências logo nas primeiras horas de cura. O teor de cinza volante foi outro
fator que também influenciou as propriedades dos compósitos geopoliméricos. Verificou-se
decréscimo nas resistências à medida que este aumentava. Um dos motivos para tal ocorrência
está no fato, conforme relatado por Duxson et al., da cinza volante ser um resíduo industrial
que não se deriva de um material inicial bem definido e possuir uma ampla distribuição do
tamanho de partículas que se diferenciam em composições elementares e fásicas, além de
incorporar impurezas, como o ferro e o cálcio, no geopolímero.
Os concretos geopoliméricos com formulação bicomponente apresentaram microestrutura
menos porosa e melhor desempenho mecânico em relação aos de formulação
monocomponente. Atribuí-se a este melhor desempenho, a prévia solubilização do silicato de
sódio (de grau comercial) antes do processo de produção destes compósitos. O silicato de
sódio, juntamente com KOH e água, compõe a solução alcalina de ativação do geopolímero.
Os difratogramas de raios X confirmaram o melhor desempenho do silicato de grau
comercial, ao revelarem a ausência de caulinita nos compósitos de formulação bicomponente
(em que se usa o silicato de grau comercial), e a sua presença nos compósitos de formulação
monocomponente (em que se usa o silicato alternativo). Os difratogramas mostraram também
a baixa reatividade da cinza volante. Nos termogramas das pastas bicomponentes, pôde ser
observado um pico exotérmico a 800°C, atribuído à cristalização da nefelina. Análises de
RMN revelaram maior rigidez molecular para os compósitos de formulação bicomponente e
aumento no tempo de relaxação dos núcleos de H devido à presença de cinza volante,
responsável pela redução do número de íons presentes na solução de poro das pastas.
114
6 RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
A partir das conclusões desta dissertação, recomenda-se fazer um estudo sistemático das
propriedades do silicato alternativo em função do tempo, a fim de averiguar o seu
desempenho, após estar previamente solubilizado, em relação ao silicato de grau comercial.
Acompanhar, em função do tempo, as mudanças de viscosidade deste silicato, a fim de
determinar seu tempo de prateleira.
Solubilizar previamente o silicato alternativo, antes de utilizá-lo no concreto.
Avaliar as propriedades de pastas geopoliméricas feitas com silicato alternativo
possuindo diferentes tempos de solubilização.
115
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