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COMPLEXO DE ENSINO SUPERIOR MERIDIONAL FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL LUIS FELIPE FOSCARINI RESISTÊNCIA AO ATAQUE ÁCIDO DE PASTAS GEOPOLIMÉRICAS BASEADAS EM METACAULIM Passo Fundo - RS 2019
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COMPLEXO DE ENSINO SUPERIOR MERIDIONAL
FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
LUIS FELIPE FOSCARINI
RESISTÊNCIA AO ATAQUE ÁCIDO DE PASTAS GEOPOLIMÉRICA S
BASEADAS EM METACAULIM
Passo Fundo - RS
2019
LUIS FELIPE FOSCARINI
RESISTÊNCIA AO ATAQUE ÁCIDO DE PASTAS GEOPOLIMÉRICA S
BASEADAS EM METACAULIM
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia Civil, IMED – Complexo de Ensino Superior Meridional, como requisito parcial à obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil, sob orientação da Profª. Drª. Francieli Tiecher Bonsembiante e coorientação do Profº. Dr. Erich D. Rodríguez Martínez.
Passo Fundo - RS
2019
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer primeiramente a Deus, pela oportunidade de vivenciar
as experiências que este curso me proporcionou. Agradeço também pela força,
coragem e bênçãos que recebia a cada dia que passava.
Gostaria de dizer o quão especial é poder agradecer a algumas pessoas que
me acompanharam nesta trajetória. Durante dois anos recebi apoio, compreensão e
amizade que lembrarei para sempre. Aos colegas de curso, agradeço o
companheirismo e a amizade ao longo destes dois anos.
Agradeço aos professores da Faculdade IMED, em especial a minha
orientadora Professora Dra. Francieli T. Bonsembiante e ao meu coorientador
Professor Dr. Erich D. Rodríguez. Obrigado por todo o aprendizado, oportunidades e
conhecimento compartilhado.
Um agradecimento também aos laboratórios de materiais de construção da
Universidade Federal de Santa Maria e da Universidade Federal do Rio Grande do
Sul, por disponibilizarem espaço físico e equipamentos para análise dos materiais
quando necessário.
Em especial, um agradecimento, aos meus pais Neri Antônio e Marta Cristina,
meu irmão Alexandre, e minha namorada Jéssica, pelo apoio, motivação,
compreensão e incentivo que me eram oferecidos todos os dias. A presença de
vocês foi ímpar e insubstituível neste momento.
RESUMO
O cimento Portland é o aglomerante mais utilizado mundialmente pela indústria da construção civil. Seu emprego está relacionado ao preparo de concretos e argamassas, conferindo a estes produtos trabalhabilidade no estado fresco, resistência mecânica e durabilidade no estado endurecido. No entanto, mesmo sendo considerados duráveis, os produtos feitos à base deste aglomerante apresentam algumas limitações, entre as quais a baixa resistência a ambientes ácidos, o que pode originar o surgimento de manifestações patológicas. Os problemas geralmente são causados pela descalcificação dos produtos de hidratação do cimento Portland, gerando queda significativa do desempenho mecânico. Isso ocorre devido à alta solubilidade de alguns componentes. Os produtos mais frágeis são os que contém grande quantidade de cálcio, como a Portlandita (Ca(OH)2) e os silicatos cálcicos hidratados (C-S-H). No entanto, existem outros ligantes alternativos com características técnicas semelhantes e até superiores ao cimento convencional. Entre tais ligantes estão os geopolímeros, materiais baseados na ativação química de um mineral amorfo rico em aluminossilicatos (chamados comumente como precursores) por apresentarem uma solução altamente alcalina (ativador). Contudo, devido à falta de padrões e métodos de dosagem, existem dúvidas a respeito da durabilidade destes materiais. Desta forma, esta pesquisa objetiva avaliar a durabilidade de pastas geopoliméricas derivadas da ativação alcalina de metacaulim quando são expostas ao contato direto com duas soluções ácidas. Visando a obtenção de materiais com elevada durabilidade em ambientes ácidos, foram produzidos geopolímeros com diferentes condições de síntese (porcentagem de álcalis e conteúdo de silicatos solúveis ajustado mediante as relações sílica/sódio - Ms). As porcentagens de álcalis foram variadas entre 15 e 20%, já as relações SiO2/Na2O ficaram entre os valores de 0,5 e 1. As misturas foram imersas em soluções de ácidos acético e lático e, posteriormente, foram avaliadas as seguintes características do material: resistência à compressão, perda de massa e profundidade de corrosão. Foi possível verificar que a solução de ativação influencia diretamente a durabilidade e resistência mecânica das pastas geopoliméricas à base de metacaulim. Constatou-se que o incremento de silicatos solúveis proporcionou um ganho significativo de resistência mecânica nas amostras avaliadas. Observou-se também que a perda de massa foi menos intensa em amostras com uma dosagem de 20% de álcalis e módulo Ms de 0,5 (Geo 20-05). Quanto à profundidade de corrosão, todas as amostras apresentaram certo grau de deterioração, no entanto, o traço mais resistente também foi o Geo 20-05. Além disso, percebeu-se que o excesso de silicatos solúveis atrapalha o processo de geopolimerização por reduzir o poder de ativação da solução alcalina, devido a isso, apesar de proporcionar um razoável ganho de resistência mecânica, não é o principal responsável pelo aumento da durabilidade das amostras. Durante as análises constatou-se que o teor de hidróxido de sódio foi a variável que mais influenciou na durabilidade das pastas. É possível perceber que as amostras dosadas com 20% de álcalis apresentaram um desempenho superior se comparadas com as amostras dosadas com 15%. Além disso, foi possível notar que estas amostras apresentaram menor lixiviação e que dificultou a progressão da corrosão para profundidades superiores.
Palavras-chaves: Geopolímeros. Durabilidade. Ácidos. Resistência.
ABSTRACT
Portland cement is the binder most used worldwide by the construction industry. Its use is related to the preparation of concretes and mortars, giving to these products workability in the fresh state, mechanical resistance and durability in the hardened state. However, even though it is considered durable, the products made from this binder have some limitations. Among them is the low resistance to acidic environments, which can lead to the appearance of pathological manifestations. The problems are usually caused by the decalcification of Portland cement hydration products, leading to a significant drop in mechanical performance. This is due to the high solubility of some components. The most fragile products are those containing a large amount of calcium, such as Portlandite (Ca(OH)2) and hydrated calcium silicates (C-S-H). However, there are other alternative binders with similar technical characteristics and even higher than conventional cement. Among these binders are geopolymers. These materials are based on the chemical activation of an aluminosilicate rich amorphous mineral (commonly referred to as precursor) by a highly alkaline (activator) solution. However, due to the lack of standards and dosage methods, there are doubts about the durability of these materials. Due to this, this research has the objective of evaluating the durability of geopolymeric pastes derived from the alkaline activation of metakaolin when exposed to direct contact with two acidic solutions. In order to obtain materials with high durability in acid environments, geopolymers with different synthesis conditions (percentage of alkalis and soluble silicate content adjusted by the silica / sodium - Ms ratios) were produced. The percentages of alkalis were varied between 15 and 20%, while the SiO2/Na2O ratios were between 0.5 and 1. The mixtures were immersed in acetic and lactic acid solutions and, subsequently, the following characteristics of the material: compressive strength, mass loss and depth of corrosion. It was possible to verify that the activation solution directly influences the durability and mechanical strength of metacaulim based geopolymeric pastes. It was found that the increment of soluble silicates gave a significant gain of mechanical resistance in the samples evaluated. It was also observed that the mass loss was less intense in samples with a dosage of 20% alkali and Ms modulus of 0.5 (Geo 20-05). As for the depth of corrosion, all the samples presented some degree of deterioration, however, the most resistant trait was also the Geo 20-05. Moreover, it was observed that the excess of soluble silicates disrupts the geopolymerization process by reducing the activation power of the alkaline solution, due to this, despite providing a reasonable gain of mechanical resistance, is not the main responsible for the increase of durability of samples. During the analyzes it was verified that the sodium hydroxide content was the variable that most influenced the durability of the pastes. It is possible to notice that the samples dosed with 20% of alkalis presented superior performance when compared with the samples dosed with 15%. In addition, it was possible to note that these samples showed lower leaching and made it difficult for the corrosion progression to higher depths. Keywords: Geopolymers. Durability. Acids. Resistance.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Tipos de metacaulim de diferentes indústrias (a) Metacaulim do Brasil,
(b) Advanced Cement Technologies, (c) Engelhard. .............................. 22
Figura 2 – Modelo conceitual de geopolimerização. ................................................. 26
Figura 3 – Desenvolvimento da resistência à compressão de geopolímero curado
à 10, 20, 40, 60 e 80 °C ao longo do tempo (1, 3, 7 e 28 dias). ............. 31
Figura 4 – Curva de distribuição granulométrica do metacaulim. .............................. 39
Figura 5 – Resultado do ensaio de DRX do metacaulim. .......................................... 40
Figura 6 – Modelo de análise da profundidade de corrosão. .................................... 45
Figura 7 – Resistência à compressão média das amostras de referência. ............... 47
Figura 8 – Evolução da resistência à compressão das amostras Geo 20-05 e
Geo 20-1 em função da relação SiO2/Al2O3. .......................................... 48
Figura 9 – Resistência à compressão média das amostras que sofreram ataques de
soluções ácidas e de amostras de referência. ........................................ 51
Figura 10 – Comparativo do percentual de perda de resistência à compressão das
amostras. ................................................................................................ 52
Figura 11 – Influência do teor de sílica solúvel na perda de massa média das
amostras. ................................................................................................ 56
Figura 12 – Superfície da amostra após (A) e antes da imersão em ácido láctico. ... 58
Figura 13 – Profundidade de corrosão média por teor de ativação para o ácido
acético e láctico. ..................................................................................... 60
Figura 14 – Geopolímero traço G 20-1 após a imersão em ácido láctico por sete
dias. ........................................................................................................ 62
Figura 15 – Aspecto da superfície das amostras após a imersão em ácido acético,
sem tratamento superficial (A), e após o polimento e aspersão da
solução de fenolftaleína (B). ................................................................... 64
Figura 16 – Áreas corroídas, neutralizadas e intactas verificadas nas amostras
imersas em ácido acético. ...................................................................... 65
Figura 17 – Camada rígida verificada após o polimento da seção da amostra
Geo 20-1. ................................................................................................ 67
Figura 18 – Aspecto das amostras após a imersão em ácido láctico, sem tratamento
superficial (A), e após o polimento e aspersão da solução de
fenolftaleína (B). ..................................................................................... 68
Figura 19 – Áreas corroídas/neutralizadas e intactas verificadas nas amostras
imersas em ácido láctico. ....................................................................... 69
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Composição química da argila caulinítica. .............................................. 20
Tabela 2 – Intervalos de ativação. ............................................................................. 29
Tabela 3 – Porcentagem de perda de resistência à compressão de geopolímeros
à base de cinza volante. ......................................................................... 35
Tabela 4 – Resultados dos ensaios de perda de massa e de resistência à
compressão de geopolímeros à base de cinza volante. ......................... 36
Tabela 5 – Composição física e química do metacaulim. ......................................... 38
Tabela 6 – Características do Silicato de Sódio. ....................................................... 40
Tabela 7 – Relações utilizadas para a ativação do metacaulim. ............................... 41
Tabela 8 – Quantidade de materiais para cada traço. ............................................... 42
Tabela 9 – Combinações entre fatores e níveis empregados para análise
estatística. .............................................................................................. 46
Tabela 10 – Cálculo da quantidade de repetições, de acordo com o erro
experimental. .......................................................................................... 46
Tabela 11 – Resistência à compressão média das amostras de referência e das
amostras que sofreram o ataque químico com soluções ácidas ............ 50
Tabela 12 – Análise de variância (ANOVA) da resistência à compressão. ............... 53
Tabela 13 – Perda de massa das amostras geopoliméricas submetidas a ataque
ácido. ...................................................................................................... 54
Tabela 14 – Uma análise de variância (ANOVA) da variável perda de massa.......... 54
Tabela 15 – Uma análise de variância (ANOVA) da variável profundidade de
corrosão. ................................................................................................. 59
Tabela 16 – Interações entre fatores utilizadas para análise. ................................... 59
LISTA DE ABREVIAÇÕES
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
ASTM – American Society for Testing and Materials
C-S-H – Silicatos Cálcicos Hidratados
CV – Cinza Volante
EGAF – Escória Granulada de Alto Forno
GBFS – Granulated Blast Furnace Slag
MC – Metacaulim
Ms – Módulo de Sílica (SiO2/Na2O)
NBR – Norma Brasileira Regulamentadora
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 13
1.1 Objetivos da pesquisa ............................. ....................................................... 16
1.1.1 Objetivo geral ................................................................................................. 16
1.1.2 Objetivos específicos ...................................................................................... 16
1.2 Estrutura da proposta de dissertação .............. ............................................. 16
2 REVISÃO DE LITERATURA ............................. .................................................. 17
2.1 Geopolímero ....................................... ............................................................. 17
2.1.1 Precursores .................................................................................................... 18
2.1.1.1 Escória granulada de alto forno ................................................................... 18
2.1.1.2 Cinza volante ............................................................................................... 19
2.1.1.3 Metacaulim ................................................................................................... 20
2.1.2 Ativadores ....................................................................................................... 23
2.1.2.1 Hidróxido de sódio (NaOH) .......................................................................... 23
2.1.2.2 Silicato de sódio (Na2SiO3·nH2O) ................................................................ 24
2.2 Geopolimerização .................................. ......................................................... 25
2.2.1 Fatores que influenciam no processo de geopolimerização ........................... 28
2.2.1.1 Dosagem...................................................................................................... 28
2.2.1.2 Temperatura de cura ................................................................................... 30
2.2.1.3 Quantidade de água .................................................................................... 32
2.3 Durabilidade dos aglomerantes ..................... ................................................ 32
2.3.1 Durabilidade de geopolímeros ........................................................................ 34
3 MATERIAL E MÉTODOS ................................ .................................................... 38
3.1 Material .......................................... ................................................................... 38
3.1.1 Precursor ........................................................................................................ 38
3.1.2 Ativador .......................................................................................................... 40
3.2 Métodos ........................................... ................................................................ 41
3.2.1 Síntese de ativação ........................................................................................ 41
3.2.2 Resistência à compressão .............................................................................. 43
3.2.3 Perda de massa ............................................................................................. 43
3.2.4 Profundidade de corrosão .............................................................................. 44
3.3 Análise estatística dos resultados ................ ................................................. 45
4 RESULTADOS ........................................ ............................................................ 47
4.1 Resistência à compressão .......................... ................................................... 47
4.2 Perda de massa .................................... ........................................................... 54
4.3 Profundidade de corrosão .......................... .................................................... 59
4.3.1 Profundidade de corrosão – lixamento mecânico ........................................... 59
4.3.2 Análise macroscópica da superfície das amostras ......................................... 63
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS .............................. ................................................... 72
5.1 Conclusões ........................................ .............................................................. 72
5.2 Sugestões para futuros trabalhos .................. ............................................... 73
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 74
13
1 INTRODUÇÃO
O cimento Portland é o aglomerante mais utilizado mundialmente pela
construção civil. (HABERT; D’ESPINOSE DE LACAILLERIE; ROUSSEL, 2011). Seu
emprego está relacionado à produção de concretos e argamassas, conferindo
trabalhabilidade no estado fresco e resistência mecânica no estado endurecido. Os
materiais baseados em cimento Portland têm ampla utilização devido à sua elevada
resistência mecânica, versatilidade e durabilidade. Além disso, apresentam
tecnologia de dosagem teoricamente simples, o que facilita sua aplicação.
No ano de 2010 a produção anual de concreto era de aproximadamente
20 bilhões de toneladas, correspondendo a um consumo médio de cerca de 10 kg
de concreto por pessoa/dia. Para satisfazer esta demanda era necessário uma
quantidade de aproximadamente 4 bilhões de toneladas de cimento Portland por ano
(COSTA et al., 2013). Em 2017 essa quantidade foi ainda maior, a produção de
cimento Portland alcançou 4,2 bilhões de toneladas/ano. (CIMENTO.ORG, 2018).
O aumento expressivo de manifestações patológicas em elementos de
concreto nas últimas décadas acarretou em preocupação com a vida útil de
estruturas produzidas com cimento Portland. (GAIER, 2005; VIEIRA et al., 1997). Os
problemas estão relacionados, principalmente, ao ambiente ao qual a estrutura está
exposta. A degradação em áreas industriais, por exemplo, pode ser acelerada em
até 80 vezes, se comparada a zonas rurais. (BEDDOE; DORNER, 2005; HELENE,
1986).
A elevada quantidade de manifestações patológicas nestes ambientes está
ligada, principalmente, à presença de ácidos que, em contato com o concreto,
provocam reações químicas que reduzem a alcalinidade do material, deixando-o
susceptível à descalcificação dos produtos de hidratação do cimento Portland. Entre
os produtos mais susceptíveis à descalcificação está a portlandita (Ca(OH)2), que é
responsável pela manutenção do pH do concreto. A portlandita solubiliza-se com
facilidade, deixando a matriz cimentícia mais porosa e suscetível a manifestações
patológicas relacionadas, principalmente, com a corrosão do aço presente nas
estruturas de concreto armado. Por sua vez, os silicatos cálcicos hidratados (C-S-H),
também resultantes da hidratação do clínquer, são minerais mais estáveis,
responsáveis pela resistência mecânica do aglomerante e também podem ser
afetados quando em contato com ácidos. (GAIER, 2005).
14
A degradação precoce do concreto eleva o custo com manutenções das
estruturas. Para se ter ideia, no ano de 2004, na Itália, França e Alemanha, foram
gastos mais de 75 bilhões de Euros com reparos e manutenções de estruturas de
concreto. Este valor equivale ao investido na construção de novas edificações, o que
enfatiza a importância de se empregar materiais mais duráveis em obras da
construção civil. (MEDEIROS; ANDRADE; HELENE, 2011).
Trazendo para o contexto regional, no Sul do Brasil é grande a concentração
de indústrias alimentícias que empregam ácidos orgânicos em seu sistema de
produção. Tais ácidos são muito prejudiciais às estruturas de concreto Portland.
Como exemplo, pode-se citar os ácidos acético e lático, comumente usados na
fabricação de vinagre e refrigerante, respectivamente (GUBOLINO, 2007; RIZZON;
MENEGUZZO; MANFROI, 2006).
Nesse contexto, os geopolímeros surgem como aglomerantes alternativos,
podendo apresentar durabilidade elevada se comparados com o cimento Portland,
quando em contato direto com substâncias ácidas. (DUXSON; PROVIS et al., 2007).
Chamam-se geopolímeros, os aglomerantes que são baseados na ativação
de um mineral aluminossílicato amorfo, através de uma solução altamente alcalina.
As principais vantagens deste aglomerante, quando comparado com o cimento
Portland, são: elevadas resistências iniciais, principalmente nas primeiras 24 horas,
além de elevadas resistências a substancias ácidas, devido a menor solubilidade
dos produtos de reação. (BAKHAREV; SANJAYAN; CHENG, 2003; BERNAL LOPEZ
et al., 2009; PINTO, 2004; PROVIS; BERNAL, 2014; SEVERO et al., 2013).
Contudo, para que essas vantagens sejam alcançadas, o processo de
dosagem de geopolímeros precisa ser criterioso, passando pela determinação de
diferentes parâmetros. Um exemplo é o teor de álcalis e as relações entre
SiO2/Na2O. Contudo, o processo de dosagem é dificultado por não existirem normas
ou padrões para a dosagem destes materiais. (DUXSON; LUKEY; VAN DEVENTER,
2007).
Os materiais constituintes dos geopolímeros são as adições minerais com
características amorfas, ricas em alumínio e sílica, que são usualmente
denominados precursores, e as soluções altamente alcalinas, chamadas ativadores.
Durante a dosagem dos materiais para obtenção do geopolímero, busca-se obter o
teor de álcalis ideal da solução de ativação que consiga dissolver totalmente o
15
precursor. Ainda, pode-se adicionar à mistura silicatos solúveis durante a ativação,
com o intuito de aumentar a quantidade de reações de geopolimerização.
Conforme já mencionado, o processo de dosagem não é simples, as mesmas
proporções de materiais podem culminar em resultados distintos. Isso ocorre porque
o processo depende das características físicas e químicas dos constituintes da
mistura, assim como as condições de produção (tipo de mistura, temperatura e
umidade). De qualquer forma, muitos autores citam os resultados positivos sobre a
resistência a ácidos, especialmente para compostos geopoliméricos à base de cinza
volante (CV) e escória de alto forno (EAF). (BAKHAREV; SANJAYAN; CHENG,
2003; THOKCHOM; GHOSH; GHOSH, 2009).
Tanto a CV quanto a EAF são subprodutos de processos industriais e, por
isso, tem um custo relativamente baixo, se comparados com outros materiais
precursores, como o metacaulim, por exemplo. O metacaulim é obtido através da
calcinação de uma argila caulinítica. No entanto, devido à energia necessária para
se produzir este material, seu custo é superior, se comparado com outros materiais
pozolânicos como a EAF e a CV.
A indústria cimenteira, no entanto, emprega tanto a EAF quanto a CV como
adição mineral na produção de diversos tipos de cimento Portland em todo o mundo.
Por isso, esses materiais, na grande maioria das indústrias que os produzem, não
ficam excedentes, logo, não há EAF e CV suficientes para produção de um
aglomerante alternativo, como o geopolímero. Além disso, nos poucos lugares que
estes materiais estão disponíveis, a distância e o custo de transporte acabam
inviabilizando sua utilização. Diante desse contexto, a produção de geopolímeros,
em escala industrial só é tecnicamente viável se os materiais empregados forem
suficientes para suprir a demanda, além, é claro, de apresentarem características
técnicas equivalentes ou superiores ao cimento Portland. Sendo assim, o presente
estudo se propõe a avaliar o comportamento do metacaulim como material
precursor, na produção de pastas geopoliméricas submetidas ao ataque de
substâncias ácidas.
16
1.1 Objetivos da pesquisa
1.1.1 Objetivo geral
Avaliar a resistência ao ataque de substâncias ácidas em pastas
geopoliméricas à base de metacaulim, produzidas com diferentes ativadores
alcalinos.
1.1.2 Objetivos específicos
A partir do objetivo geral surgem os seguintes objetivos específicos para a
presente pesquisa:
Analisar a influência do tipo de ativador alcalino utilizado sobre as
propriedades físicas e mecânicas de pastas geopoliméricas;
Verificar qual relação de ativação, dentre as analisadas, é menos
susceptível a degradação quando em contato direto com soluções de
ácido acético e lático;
Identificar qual ácido, dentre os analisados, influencia de forma mais
significativa na perda de massa, profundidade de corrosão e resistência à
compressão das pastas geopoliméricas avaliadas.
1.2 Estrutura da proposta de dissertação
Esta dissertação está dividida em cinco capítulos. O capítulo 1 apresenta uma
breve descrição da pesquisa e traz a definição do problema que será estudado. O
capítulo 2 traz a revisão bibliográfica, onde são abordados os conceitos a respeito
de geopolímeros (precursores e ativadores), ambientes ácidos, sua relação com as
manifestações patológicas em estruturas de concreto e durabilidade dos
geopolímeros. A descrição da metodologia utilizada se encontra no capítulo 3. Os
resultados e discussões a respeito dos ensaios são apresentados no capítulo 4. No
capítulo 5 são apresentadas as conclusões e considerações finais da pesquisa.
17
2 REVISÃO DE LITERATURA
2.1 Geopolímero
O termo geopolímero foi dado pelo professor francês Davidovits em 1972
quando estudava a ativação alcalina de uma argila de natureza caulinítica. O
pesquisador trabalhava no desenvolvimento de novos cerâmicos, resistentes ao
fogo, devido a vários incêndios catastróficos ocorridos na França. (DAVIDOVITS,
2002). Na busca por materiais inorgânicos resistentes ao calor, Davidovits, junto com
um grupo de pesquisadores, desenvolveram um material silício-aluminoso baseado
em caulim que foi posteriormente ativado alcalinamente, denominaram-no de
geopolímero. Antes de Davidovits, mais precisamente em 1950, o ucraniano
Glukhovsky já havia estudado materiais ativados alcalinamente, o qual chamou de
“solos cimento”. (GLUKHOVSKY, 1959). Estas pesquisas foram impulsionadas por
estudos de estruturas antigas que apresentavam elevada durabilidade. Desde então
os materiais ativados alcalinamente foram alvo de estudo e grande parte das
pesquisas relacionadas aos geopolímeros está voltada ao reduzido impacto
ambiental do produto, devido ao emprego de materiais, que geralmente são
provenientes de resíduos e, também, por não haver necessidade de empregar altas
temperaturas no processo produtivo, como ocorre com o cimento Portland ou
produção de cerâmicas tradicionais.
Em misturas que empregam cimento Portland a relação água/ligante é o
principal parâmetro a ser controlado, influenciando diretamente nas características
finais dos concretos e argamassas. Entretanto, nos geopolímeros, a tecnologia de
ativação leva em consideração mais parâmetros e variáveis, dentre as quais estão o
teor da solução de ativação, as condições de cura, a presença de silicatos solúveis,
o tipo do íon alcalino, a concentração de álcalis, a quantidade de água e as
características físicas e químicas dos materiais precursores. (PROVIS; BERNAL,
2014; BERNAL LOPEZ et al., 2009; DUXSON; PROVIS et al., 2007).
18
2.1.1 Precursores
Os precursores são materiais aluminossilicatos geralmente com alto conteúdo
de fases amorfas, altamente reativas e solúveis em soluções alcalinas. Os
precursores podem ser divididos em dois grupos: com alto teor de cálcio e com baixo
teor de cálcio. Os aglomerantes baseados na ativação alcalina de um mineral amorfo
são comumente chamados de álcali ativados, mas aqueles cujo precursor possui
baixo teor de cálcio são denominados geopolímeros. (PROVIS; VAN DEVENTER,
2009).
São exemplos de aglomerantes álcali-ativados os constituídos por escória de
alto forno (EAF) e cinza volante (CV) com alto teor de cálcio (a tipo C segundo a
ASTM C618 (2019). Já os aglomerantes produzidos com cinza volante com baixa
quantidade de cálcio (a tipo F segundo a ASTM C618 (2019) ou com metacaulim são
exemplos de geopolímeros.
2.1.1.1 Escória granulada de alto forno
A escória granulada de alto forno (EGAF ou GBFS, como comumente é
mencionada internacionalmente) é um subproduto do processo de produção do
ferro. É composta, basicamente, de silicatos e sílico aluminatos de cálcio amorfos. O
processo de fabricação do ferro é realizado a uma temperatura de aproximadamente
1500 °C. A EGAF é obtida a partir da combinação do minério de ferro, do coque, do
calcário e do dolomito, empregados no alto forno durante a redução do óxido de
ferro. Após a fusão do material, o rejeito, ainda aquecido, é retirado da fornalha e
resfriado rapidamente, o que leva à amorficidade dos cristais constituintes.
(LOTHENBACH; SCRIVENER; HOOTON, 2011).
As propriedades das escórias podem variar de acordo com a quantidade de
impurezas presentes nas matérias primas utilizadas na fabricação do ferro. No Brasil
a referência utilizada para EGAF na construção civil é a ABNT NBR 5735/91, que foi
cancelada em 03/07/2018 e substituída pela ABNT NBR 16697 (2018). Também é
comum encontrar muitos trabalhos que adotam a norma americana como referência
para as diretrizes quanto à utilização da escória na construção civil. (ASTM C989,
2018).
19
Por ser um subproduto derivado de um resíduo industrial, a EGAF apresenta
baixo custo, quando comparada com outros tipos de adições pozolânicas. Outro
fator importante na reutilização deste material é a questão ambiental. No ano de
2007 fabricou-se 35 milhões de toneladas de ferro gusa no Brasil (MAGALHÃES,
2007), levando em conta que cada tonelada de ferro gusa produzido gera,
aproximadamente, 300 kg de escória, gerou-se cerca de 10,5 milhões de toneladas
de EAF em um ano. (NEVILLE, 1997).
A construção civil é a grande responsável pelo reaproveitamento deste
material, principalmente como adição na produção de cimentos, mais
especificamente os cimentos o CPII-E (Cimento Portland Composto, que pode
conter e até 35% de EGAF) e CPIII (Cimento Portland de Alto Forno, que contém até
70% de EAF), de acordo com a ABNT NBR 16697 (2018). A EGAF é um material
muito apreciado pela indústria cimenteira, principalmente pelo fato de ter
hidraulididade latente. Devido a isso é capaz de substituir grandes quantidades de
clínquer, tornado o cimento mais econômico e com um valor de comercialização
reduzido.
2.1.1.2 Cinza volante
A cinza volante (CV) também é um precursor bastante estudado para
produção de geopolímeros. Este material é um resíduo originado da combustão do
carvão pulverizado na produção de energia em usinas termelétricas. (VARGAS,
2006; ASTM C618, 2019; SOARES, 2013; VARGAS et al., 2007).
A combustão do carvão mineral ocorre a uma temperatura entre 1200 °C a
1700 °C. (MEJÍA; RODRÍGUEZ; DE GUTIÉRREZ, 2014; SIL VA et al., 1999;
SOARES, 2013). A temperatura, assim como as condições de combustão e sistema
de coleta das cinzas estão diretamente relacionados à composição química,
quantidade de carbono, finura dos grãos e características microestruturais da CV.
Estas características também sofrem influência das propriedades do próprio carvão
mineral utilizado. (VARGAS, 2006; CAMÕES, 2002).
As CVs são constituídas basicamente por SiO2, Al2O3, Fe2O3 e em alguns
casos podem conter CaO. Segundo a ASTM C 618 (2019), as CVs a quantidade de
cálcio influencia diretamente na pozolanicidade do material. (ASTM C618, 2019;
CAMÕES, 2002; SOARES, 2013; VARGAS, 2006; MEHTA; MONTEIRO, 1994).
20
Devido à sua composição química e ao seu custo, que é relativamente baixo
se comparado com outros materiais pozolânicos, a CV é amplamente utilizada pela
indústria de cimento Portland, assim como a EAF, como adição mineral. No Brasil, a
CV é utilizada em dois tipos de cimento Portland, CP II-Z pode conter até 25% de CV
e CP IV até 50% da adição, de acordo com a NBR 16697 (ABNT, 2018).
2.1.1.3 Metacaulim
O metacaulim (MC) é um aluminossilicato térmicamente ativado, obtido
através da calcinação controlada de uma argila caulinítica. (PALOMO et al., 1999;
ROCHA, 2005; SANTA, 2016; VASSALO, 2013). O Brasil tem a segunda maior
reserva de caulim do mundo, com 28% de um total de 15 bilhões de toneladas
existentes. A maior concentração se encontra nos Estados Unidos, que tem uma
reserva de 53%. (SANTA, 2016). O Brasil é responsável por aproximadamente 6,4%
da produção mundial do metacaulim, ficando na quinta posição mundial entre os
produtores do material. A produção nacional é de aproximadamente 2 milhões de
toneladas por ano. Entre os principais consumidores estão os setores de produção
de papel, cerâmicas e tintas. (LONGHI, 2015; LONGHI et al., 2016).
O principal mineral presente no caulim é a caulinita [Al2Si2O5(OH)4], mas pode
conter traços, quartzo, cristobalita e de outros minerais como ferro (Fe), rutilo (TiO2),
entre outros, em menor quantidade. (PALOMO et al., 1999; ROCHA, 2005;
VASSALO, 2013). A Tabela 1 apresenta a composição química que comumente é
encontrada em argilas cauliníticas. No entanto, a composição química pode variar de
acordo com a região onde está localizada a reserva do caulim.
Tabela 1 – Composição química da argila caulinítica.
Composto Argila Caulinítica Típica (%) SiO2 > 40,0 e < 60,0 Al2O3 > 25,0 e < 45,0 Fe2O3 < 8,0 Na2O < 0,1 K2O < 3,0 TiO2 < 1,0 CaO < 1,0
H2O (PF) > 8,0 e < 18,0 Outros < 1,0
Fonte: Rocha (2005).
21
De acordo com Silva e Silva e Santana (2013), o processo de beneficiamento
do metacaulim é dividido em etapas. Em temperaturas de até 400ºC ocorre
principalmente a perda de massa, que pode ser atribuída à eliminação de moléculas
de água adsorvidas sobre a superfície do caulim natural e de materiais orgânicos
presentes. Normalmente a eliminação da água livre ocorre com temperaturas entre
100 e 150ºC. Para Cheng et al. (2012), a existência de outro tipo de água é
naturalmente descartada, pois o caulim não apresenta cátions entre as camadas ou
água intercalada naturalmente.
Entre as temperaturas de 450 e 650ºC ocorre uma perda de massa que
usualmente atinge valores próximos a 14%, atribuída à formação do metacaulim,
que pode ser apresentado de acordo com a formula:
Al2[Si2O5](OH4) → AlO3 .2SiO2+2H2O
A reação que ocorre neste intervalo consiste na eliminação de duas
moléculas de água por desidroxilação dos grupos OH, que estão ligados às folhas
octaedrais do Alumínio. Essa etapa é marcada por um pico intenso e endotérmico e
usualmente ocorre entre as temperaturas de 450 e 650º C. (SILVA E SILVA;
SANTANA, 2013; CHENG et al., 2012).
Em temperaturas superiores aos 1000 °C durante a ca lcinação pode ocorrer a
cristalização de mulita (3Al2O3.2SiO2), e em temperaturas de aproximadamente
1100º C, ocorre a cristalização da cristobalita.
Davidovits (1999) sugere que para atingir alta reatividade o caulim deve ser
calcinado por um período de duas horas. O aumento na reatividade do caulim após
a calcinação ocorre porque sua estrutura, que é laminar, com tetraedros de sílica e
alumínio unidos por pontes de hidrogênio, é destruída pela calcinação, tornando o
material altamente reativo.
O material obtido através da calcinação do caulim pode apresentar diferentes
granulometrias e colorações. A granulometria vai depender do processo de moagem
empregado no beneficiamento do material. Já a cor é influenciada, principalmente,
pelo conteúdo de ferro (Fe2O3). Na grande maioria das situações, a cor mais
amarelada indica uma maior quantidade de ferro na composição química do caulim.
E em alguns casos, dependendo da aplicação final, um metacaulim com coloração
branca tem tendência de ter um custo maior. (VASSALO, 2013). Este material
normalmente apresenta coloração branca, bege, marrom, laranja ou rosa, conforme
mostra a Figura 1, tendo sido produzidos por diferentes indústrias.
22
Figura 1 – Tipos de metacaulim de diferentes indústrias (a) Metacaulim do Brasil, (b) Advanced Cement Technologies, (c) Engelhard.
Fonte: Vassalo (2013).
As fontes de caulinita podem influenciar no tamanho de partícula, pureza e
cristalinidade do metacaulim. Para produção de geopolímeros com metacaulim estas
características afetam significativamente o comportamento reológico e o grau de
reação durante o processo de geopolimerização. (VASSALO, 2013). Por isso, é
importante avaliar a pureza da matéria prima.
A utilização de metacaulim para a produção de geopolímeros tem aumentado,
especialmente pelas vantagens técnicas apresentadas por este precursor, quando
comparado aos demais. Dentre as principais vantagens pode-se citar sua alta
reatividade, a formação de produtos de reação homogêneos e com boas
características químicas e físicas, tais como pureza e granulometria. (SHI et al.,
2012).
O uso de metacaulim como uma fonte de aluminossilicato na produção de
geopolímeros proporciona um material de partida mais puro, livre de outros
compostos químicos comumente encontrados em subprodutos industriais, fazendo
com que o metacaulim tenha sua caracterização facilitada. (DUXSON; PROVIS et
al., 2005). Devido à grande quantidade de caulinita disponível no Brasil, o uso deste
material como matéria prima para um novo ligante na construção civil é
potencializado, uma vez que com mais indústrias consumindo este material, novas
tecnologias de exploração de jazidas poderiam ser empregadas para reduzir os
custos de produção e, com isso, o valor de comercialização do metacaulim seria
menor.
Além disso, é importante ressaltar que a indústria de minério do caulim gera
também grandes volumes de rejeitos. Como estes rejeitos comumente apresentam
23
elevados teores de caulim, também é possível reaproveitar este material para uso
em geopolímeros. (LONGHI, 2015).
2.1.2 Ativadores
Para que o processo de geopolimerização ocorra, o precursor precisa ser
colocado em um meio altamente alcalino, na forma aquosa. Este meio pode ser
obtido por soluções alcalinas únicas, ou combinadas, referidas como ativadores.
(GÖRHAN; KÜRKLÜ, 2014). Dentre os vários materiais existentes, os mais
tradicionais são os hidróxidos alcalinos (NaOH, Ca(OH)2, KOH) e os silicatos
(Na2SiO3 e KOH) (LONGHI, 2015), os quais podem ser utilizados separadamente,
ou em conjunto. Por serem os materiais mais comuns e amplamente estudados na
produção de geopolímeros, nesta pesquisa serão utilizados os hidróxidos e silicatos
à base de sódio.
2.1.2.1 Hidróxido de sódio (NaOH)
A solução composta de NaOH e água é amplamente utilizada na produção de
geopolímeros. (PROVIS; BERNAL, 2014). Isso se deve, principalmente, ao custo
inferior, quando comparado com outros ativadores alcalinos como hidróxidos de
potássio, por exemplo. Além disso, este insumo possui ampla disponibilidade no
mercado e proporciona uma alta alcalinidade na mistura durante o processo de
dosagem de geopolímeros. (LONGHI, 2015).
Por ser um material altamente corrosivo, é necessário o uso de equipamentos
adequados para o manuseio do NaOH. Os hidróxidos de sódio geralmente são
produzidos eletricamente a partir de sais de cloreto. Durante sua produção, o
consumo energético necessário é relativamente baixo, o que torna o material
ecologicamente amigável, em função do pequeno volume de CO2 gerado durante
sua produção. (PROVIS; BERNAL, 2014).
Como desvantagem do ativador NaOH pode-se citar a tendência à formação
de eflorescências nos materiais geopoliméricos. Isso ocorre devido à baixa
reatividade do material antes do endurecimento, que leva à formação de uma
solução com excesso de álcalis. Devido a este excesso, parte dos álcalis não fica
24
quimicamente ligada, tornando-se susceptível à lixiviação com a água e formação de
cristais na superfície do material (reação com o CO2 do meio ambiente). Dessa
forma, é importante encontrar a concentração ideal de ativação, evitando o excesso
de álcalis na mistura. (LONGHI, 2015; PROVIS; BERNAL, 2014).
2.1.2.2 Silicato de sódio (Na2SiO3·nH2O)
Assim como o hidróxido de sódio, o silicato de sódio também é um ativador
muito utilizado na fabricação de geopolímeros. Este insumo possui um processo de
produção simplificado, tornando seu preço mais acessível, se comparado aos
materiais à base de potássio, por exemplo. (LONGHI, 2015).
Na produção de geopolímeros, os silicatos são os componentes que mais
agregam custos. Geralmente são produzidos a partir de sais de carbonato e sílica,
através da fusão em temperaturas entre 1400 °C e 15 00 °C. (LONGHI, 2015;
PROVIS; BERNAL, 2014). Como resultado se tem a combinação de SiO2 e Na2O,
originalmente em estado sólido. (LONGHI, 2015). Este composto sólido é, então,
dissolvido em água para formar uma solução de elevada viscosidade, também
conhecida como vidro solúvel. (PROVIS; BERNAL, 2014).
O silicato de sódio pode ser representado quimicamente pela equação
Na2SiO3·nH2O. Quanto maior for o valor do pH da mistura, maior será a viscosidade
do material. (PROVIS; BERNAL, 2014).
No processo de produção de geopolímeros, o uso de silicato de sódio implica
em maiores benefícios, quando comparado com o silicato de potássio, porque
proporciona uma maior reatividade durante a geopolimerização, formando uma pasta
mais compacta. Isso ocorre, devido à presença de espécies de silicatos solúveis
(SiOH4) na mistura. A presença destas espécies facilita a formação de produtos de
reação, principalmente em idades iniciais. Com isso se tem um maior número de
produtos de reação, deixando o material mais denso e favorecendo a resistência
mecânica dos geopolímeros. (ZHANG et al., 2012; ZHANG et al., 2013).
25
2.2 Geopolimerização
O mecanismo exato responsável pelo processo de geopolimerização é
complexo. No entanto, nos últimos anos, os estudos têm avançado muito,
especialmente com técnicas de nano caracterização desse tipo de material.
Primeiramente este processo foi estudado por Glukhovsky, entre os anos de 1950 e
1970. Ao longo dos anos alguns pesquisadores formularam teorias. Segundo Provis
e Van Deventer (2009), o processo de geopolimerização pode ser dividido em três
etapas: (a) destruição-coagulação; (b) coagulação-condensação; (c) condensação-
cristalização. No entanto, Provis e Bernal (2014) afirmam que o processo está
dividido em quatro fases: (a) Dissolução; (b) Precipitação de espécies ativas;
(c) Condensação; (d) Re-solidificação. Cabe ressaltar que o mecanismo com quatro
fases é o mais aceito pelos pesquisadores desse tema. Os autores ainda trazem um
fluxograma ilustrando o processo de geopolimerização, como pode ser verificado na
Figura 2.
26
Figura 2 – Modelo conceitual de geopolimerização.
Fonte: Adaptado de Provis e Bernal (2014).
No modelo apresentado por Provis e Bernal (2014), a primeira fase do
processo é a dissolução. Esta ocorre quando os aluminossilicatos (precursor) entram
em contato com a solução alcalina (ativador). A partir desta combinação a
substância sólida é dissolvida na solução de ativação e os componentes do
precursor (Si e Al) são dissolvidos para a fase aquosa, ocorrendo a ruptura das
ligações dos componentes do precursor. (MELO, 2011). No caso do metacaulim, a
primeira ligação a ser rompida é a Al-O, por ser a de menor energia. Para que ocorra
27
a ruptura das ligações de maior energia, como as Si-O, é necessário uma maior
alcalinidade, por isso a liberação das espécies ativas de sílica (Si(OH)4) demanda
mais tempo. (PROVIS; BERNAL, 2014).
A dissolução dos compostos depende de algumas características da
superfície dos sólidos e do grau de saturação da fase líquida. (GARTNER;
MACPHEE, 2011). A dissolução de aluminossilicatos sólidos é acelerada em meios
com pH elevado. No entanto, a presença de sílica solúvel, proveniente do ativador,
faz com que, à medida que ocorre a liberação das espécies de Al(OH)3, se unam
imediatamente com a sílica solúvel do ativador, contribuindo para a formação de
produtos de reação em tempos mais curtos e, portanto, com melhor desempenho
mecânico em idades iniciais. (BURCIAGA-DÍAZ; ESCALANTE-GARCÍA, 2012).
A dissolução do precursor cria uma solução complexa e supersaturada de
aluminossilicatos, permitindo a formação de uma cadeia pelo rearranjo das ligações
(SiO2-Al2O3), gerando um gel polimérico. (DUXSON; FERNÁNDEZ-JIMÉNEZ et al.,
2007; LONGHI, 2015; SCOPEL, 2016). As espécies de alumínio e sílica dissolvidas
interagem e formam oligômeros de aluminossilicatos. Ainda na etapa de dissolução,
os oligômeros da fase aquosa formam grandes redes de ligação a partir de
policondensação. Além disso, nesta fase, a água utilizada para dissolver os
componentes é liberada, mas boa parte permanece preenchendo os poros do gel.
(DUXSON; FERNÁNDEZ-JIMÉNEZ et al., 2007).
A etapa de formação do gel é a mais crítica do processo de geopolimerização.
Em geopolímeros, onde o precursor apresenta baixos teores de cálcio, o principal
produto gerado é o gel de aluminossilicato alcalino, composto por sílica, sódio,
alumínio, podendo conter água quimicamente ligada, conhecido como (N-A-S-H).
Este gel apresenta uma baixa cristalinidade devido às ligações do tipo Q4 que o
compõem. As ligações Q4 são aquelas em que o tetraedro de sílica é compartilhado
com outros três tetraedros, por isso, o N-A-S-H tem grande amorficidade. Segundo
Provis e Bernal (2014), a formação do gel polimérico pode ser muito parecida com a
síntese das zeólitas, mas o mecanismo exato responsável por este processo ainda é
objeto de estudo de muitos pesquisadores.
Na etapa final ocorre o processo de ressolidificação, na qual o gel, que
apresentava uma forma totalmente desordenada, forma estruturas tridimensionais
que são formadas a partir de mecanismos de condensação entre as unidades
monoméricas liberadas do precursor durante a sua dissolução. (PROVIS; VAN
28
DEVENTER, 2009). As estruturas tridimensionais são as responsáveis pelo
desenvolvimento da microestrutura e da resistência mecânica do material,
finalizando o processo de geopolimerização. (GARTNER; MACPHEE, 2011).
2.2.1 Fatores que influenciam no processo de geopolimerização
Nem todos os produtos geopoliméricos possuem as mesmas propriedades.
Existem fatores que influenciam diretamente nas suas propriedades finais, dentre
eles os que serão discutidos nos itens a seguir deste capítulo.
2.2.1.1 Dosagem
A dosagem de aglomerantes geopoliméricos necessita de conhecimento e
compreensão das propriedades das matérias primas e das etapas do processo de
geopolimerização.
Dentre os principais fatores a serem levados em consideração na dosagem
de geopolímeros está a natureza do íon alcalino, que pode ser à base de sódio ou
potássio (Na e K). De acordo com Duxson; Mallicoat et al. (2007), os geopolímeros
sintetizados com potássio possuem um grau de concentração de Si/Al menor do que
os sistemas de sódio ou de sistemas combinados (sódio + potássio).
As alterações na natureza do ativador podem resultar em alterações na
estrutura molecular de géis geopoliméricos e, consequentemente, influenciar as
propriedades mecânicas. (DUXSON; MALLICOAT et al., 2007). Segundo Duxson;
Lukey et al. (2005), os diferentes íons alcalinos estão relacionados às mudanças
microestruturais como, por exemplo, o tamanho e a distribuição dos poros.
Em complemento, Lloyd, Provis e Van Deventer (2012) verificaram que
geopolímeros ativados com materiais à base de sódio apresentam características
técnicas superiores aos materiais ativados com potássio. Os ativadores à base de
sódio dissolveram melhor o precursor e aumentaram a densidade do material.
Outro fator importante é a presença de silicatos solúveis . A concentração
de sílica na solução de ativação, em sistemas de geopoliméricos com baixo teor de
cálcio (metacaulim ou cinzas volantes) exerce um papel primordial na
geopolimerização do material. Duxson; Mallicoat et al. (2007) observaram, em
sistemas desenvolvidos com metacaulim, que a melhora das propriedades
29
mecânicas correlaciona-se com o aumento do volume de gel geopolimérico quando
há adição de sílica na solução ativadora.
A maior quantidade de silicatos solúveis provenientes da solução de ativação
acelera a formação do gel polimérico por facilitar as ligações SiO2-Al2O3. Burciaga-
Díaz e Escalante-García (2012) verificaram que as resistências mecânicas iniciais de
geopolímeros ativados com silicato de sódio apresentaram valores superiores aos
geopolímeros ativados sem a presença de silicatos solúveis.
No entanto, o excesso de silicatos solúveis pode causar problemas na
formação do gel polimérico. O excesso de sílica no sistema reduz a alcalinidade da
solução de ativação causando problemas na dissolução do precursor. Por isso,
existem intervalos de ativação, os quais são indicados para obter os melhores
desempenhos. Contudo, por ser uma tecnologia nova, não existem padronizações
dos parâmetros de dosagem. Devido às diferentes composições químicas e físicas
dos materiais utilizados e às diversas condições de ativação, são encontradas na
literatura diferentes relações utilizadas para produzir geopolímeros, conforme pode
ser observado na Tabela 2.
Tabela 2 – Intervalos de ativação.
Precursor Ms* (SiO 2/Na2O) % Na2O Referência
Cinza Volante 0,03 - 1,23 5 - 15 (FERNÁNDEZ-JIMÉNEZ; PALOMO, 2005)
Metacaulim 0,83 - 1,77 - (BURCIAGA-DÍAZ; ESCALANTE-GARCÍA, 2012)
Metacaulim - 12,56 - 18,75 (GRANIZO; PALOMO; FERNANDEZ-JIMÉNEZ, 2014)
Cinza volante 0,19-1,17 - (CRIADO; FERNÁNDEZ-JIMÉNEZ; PALOMO, 2010)
Cinza volante 1 7 (LLOYD; PROVIS; VAN DEVENTER, 2012)
* Módulo de Sílica (SiO2/Na2O) Fonte: O autor (2019).
As relações comumente citadas na literatura quanto ao módulo Ms
(SiO2/Na2O) variam de 0,03 a 1,77. Este módulo normalmente é alterado de acordo
com do precursor utilizado. Em virtude do grau de amorfidade do precursor, as
relações entre SiO2/Na2O podem aumentar ou diminuir. Usualmente quanto menor a
reatividade do precursor, maior a alcalinidade necessária para dissolvê-lo. Por isso,
para a produção de geopolímeros a partir de materiais pouco reativos é necessário
maior teor de sódio na solução de ativação, ou seja, valores de Ms baixos. Porém,
valores elevados para o módulo Ms indicam maior quantidade de sílica solúvel, o
que favorece elevadas resistências mecânicas iniciais.
30
Contudo, mesmo não existindo uma padronização dos valores de Ms e de
percentagem de álcalis (%Na2O) para a produção de geopolímeros, existem valores
indicados para a ativação de cada tipo de precursor. O Ms indicado para ativação de
metacaulim deve ficar entre 0 e 1,5. Já a porcentagem de álcalis indicada em
relação à massa do precursor é de 10 e 20% para geopolímeros à base de
metacaulim.
2.2.1.2 Temperatura de cura
A temperatura de cura é uma variável importante no preparo de
geopolímeros. De acordo com Longhi (2015), a temperatura de cura pode acelerar
as relações de dissolução do aluminossilicato e, consequentemente, permitir que o
produto atinja maiores resistências em períodos de tempo mais curtos. Como
resultado se obtém produtos com melhores características mecânicas em menores
períodos de tempo.
No estudo de Mo et al. (2014) as temperaturas de cura de 60 °C propiciaram
as melhores resistências mecânicas aos geopolímeros, obtendo até 100 MPa de
resistência à compressão. Da mesma forma Granizo, Palomo e Fernandez-Jiménez
(2014) avaliaram geopolímeros baseados em metacaulim com diferentes
temperaturas de cura. Os autores chegaram à conclusão de que os geopolímeros
curados com temperaturas de 60 °C e 80 °C reagiram mais rapidamente nas
primeiras idades (24 horas). Em complemento Scopel (2016) e Shi et al. (2012)
verificaram que quando curados em temperatura ambiente os geopolímeros
apresentam menores resistências mecânicas iniciais, se comparadas com as obtidas
com cura térmica. Contudo, Rovnaník (2010), ao avaliar as resistências mecânicas
de argamassas geopoliméricas à base de metacaulim, observou que quando curado
em temperatura entre 10 °C e 40 °C, o material atin ge uma maior resistência
mecânica em idades avançadas. A Figura 3 mostra os resultados de resistência à
compressão encontrados pelo autor.
31
Figura 3 – Desenvolvimento da resistência à compressão de geopolímero curado à 10, 20, 40, 60 e 80 °C ao longo do tempo (1, 3, 7 e 28 dias).
Fonte: Adaptado de Rovnaník (2010).
De acordo com Rovnaník (2010) a cura dos geopolímeros com temperatura
elevada acelera a formação dos produtos de reação do gel. Os corpos de prova
submetidos a 60 e 80 °C atingiram a resistência de até 47 MPa e 52 MPa,
respectivamente em apenas 24 horas de cura. Entretanto, segundo o autor, a
formação rápida do geopolímero impede que a estrutura da matriz geopolimérica
seja compacta e resistente. Como resultado, o geopolímero curado a temperaturas
elevadas apresenta densidade inferior ao geopolímero curado em temperaturas de
até 40 °C.
Quando o processo de cura dos geopolímeros não é acelerado, ou seja, a
cura acontece de forma lenta durante longos períodos de tempo (30 dias), existe
uma tendência de que os geopolímeros apresentem maiores quantidade de produtos
de reação formados durante este processo. Este fator origina geopolímeros com
maior densidade e, consequentemente, com uma menor permeabilidade,
aumentando a durabilidade do produto em ambientes agressivos. (ROVNANÍK,
2010).
Da mesma forma, Vaidya, Díaz e Allouche (2011) verificaram que mesmo
quando curados sob o calor gerado a partir de sua própria reação de polimerização
exotérmica, ou seja, sem o emprego de calor durante o processo de cura, os
produtos geopoliméricos podem atingir resistências superiores a 40 MPa. Isto
32
elimina a necessidade de aplicar calor durante a cura, o que potencializa sua
utilização na construção civil, uma vez que pode facilitar o processo de produção do
material.
2.2.1.3 Quantidade de água
Em materiais geopoliméricos a água não exerce influência direta no processo
de geopolimerização. Nestes materiais a água somente promove algumas
propriedades no estado fresco, como a homogeneidade e a trabalhabilidade da
mistura. (LONGHI, 2015). Neste sentido, a presença de água gera o meio aquoso
para que as reações de geopolimerização possam acontecer. Porém, a água e/ou
seu excesso na dosagem podem afetar o desempenho de geopolímeros devido a
um aumento na porosidade. Isso ocorre porque a água pode tornar o pH da solução
ativadora mais alcalino, o que indiretamente reduz a dissolução do metacaulim e
como consequência pode-se ter um material mais poroso no estado endurecido.
Contudo, mesmo sem exercer influência direta no processo de
geopolimerização, a água pode influenciar na durabilidade do geopolímero. Isso
ocorre porque a maior parte da água presente em geopolímeros baseados em
metacaulim encontra-se sem ligação química, ficando dentro da estrutura dos poros,
desempenhando um papel importante na etapa de secagem. Esta água não ligada,
ou livre, pode evaporar do gel de aluminossilicato durante o processo de cura
trazendo micro fissuras causando perda de resistência mecânica e redução da
durabilidade. (KUENZEL et al., 2012; LONGHI et al., 2016).
2.3 Durabilidade dos aglomerantes
O cimento Portland é o principal aglomerante utilizado pela construção civil.
Em geral confere às estruturas elevadas resistências mecânicas e durabilidade.
Contudo, em algumas situações, a sua durabilidade pode ser reduzida. Podendo-se
citar como exemplo o contato direto com substâncias ácidas ou ambientes industriais
que, em geral, são altamente agressivos. (GAIER, 2005).
Os ácidos têm a capacidade de dissolver a pasta de cimento Portland e
lixiviar as partes internas. Depois de degradarem a superfície do concreto, os ácidos
reagem com o hidróxido de cálcio Ca(OH)2, formando sais solúveis, que podem ser
33
facilmente lixiviados pela água. A consequência do ataque de ácidos é a
desintegração da pasta de cimento, deixando os agregados expostos e, se estes
forem calcários, também poderão ser atacados.
De acordo com o tipo de ácido em contato com matrizes de cimento Portland,
a cinética e agressividade do ataque pode ser significativa ou progredir lentamente.
Ao ingressar no interior da massa de concreto, alguns ácidos podem formar sais
insolúveis e expansivos, causando fissuração e posterior deterioração do material.
Se, ao contrário, os produtos resultantes forem solúveis, há o incremento da
porosidade e se acelera o processo de perda de massa e deterioração.
Contudo, devido à susceptibilidade de degradação do cimento Portland ser
maior em alguns meios, foram estabelecidos parâmetros para quantificar o grau de
agressividade que o ambiente exerce sobre a estrutura de concreto. A NBR 6118
(ABNT, 2014) que trata de Projeto de Estruturas de Concreto: procedimento,
estabelece diferentes graus de agressividade/exposição para as estruturas de
concreto: (a) marinha, (b) urbana e (c) industrial (d) rural. Dentre as condições
apresentadas pela norma, de acordo com Gaier (2005), uma das atmosferas mais
agressivas para as estruturas de concreto é a industrial. Exemplos muito comuns
são as indústrias alimentícias onde, devido ao uso constante de produtos químicos,
existe o contato frequente destes com a estrutura da edificação.
Nas indústrias produtoras de vinagre, por exemplo, é comum encontrar o
ácido acético (CH3COOH), um ácido orgânico com um pH em torno de 4,0. Outro
exemplo é da indústria de extratos, e de refrigerantes. Nestas indústrias é comum o
uso do ácido lático (C3H6O3), o qual também é encontrado em produtos
farmacêuticos, cosméticos e na indústria química. (MELLADO et al., 2017).
Como em algumas situações não é possível evitar o contato direto dos
materiais à base de cimento Portland com as substâncias ácidas, as estruturas
podem ter sua durabilidade reduzida. Devido à necessidade de empregar materiais
mais eficientes para aplicações em casos como os citados anteriormente, os
aglomerantes geopoliméricos emergiram como uma das alternativas possíveis para
substituir o cimento Portland. Em geral, os geopolímeros apresentam características
interessantes, que potencializam suas aplicações em ambientes ácidos, como:
elevada resistência mecânica inicial, baixa permeabilidade e não propensão a
reações tipo álcali-agregado. Além disso, diversos autores vêm relatando altos níveis
de resistência a sulfatos em misturas geopoliméricas. Ainda, quando comparados
34
com os concretos tradicionais, a principal vantagem dos geopolímeros baseados em
metacaulim é a ausência do produto de reação Ca(OH)2. Como o metacaulim não
possui cálcio em sua composição, estes produtos que são altamente solúveis não
são produzidos, o que, de certa forma, torna os geopolímeros menos susceptíveis de
serem degradados. (PALOMO; GRUTZECK; BLANCO, 1999; THOKCHOM;
GHOSH; GHOSH, 2009).
2.3.1 Durabilidade de geopolímeros
A eficiência em relação à durabilidade dos materiais geopoliméricos vem
sendo relatada por diversos autores. No entanto, ainda existem algumas dúvidas,
decorrentes, principalmente da ausência de métodos padronizados para avaliar o
desempenho destes aglomerantes quando em contato direto com substâncias
deletérias. As pesquisas relacionadas utilizam diferentes condições de exposição,
dosagem e procedimentos para a avaliação da durabilidade destes materiais, o que
acaba dificultando a correlação e confiabilidade nos resultados obtidos.
Bakharev (2005) afirma que o mecanismo de deterioração de materiais
geopoliméricos em ambientes ácidos está relacionado com a despolimerização de
polímeros de aluminossilicato e com a liberação de ácido silícico. Também são
fatores que influenciam neste processo a substituição de cátions de Na+ e K+ por
hidrogênio, ou íon de hidróxido. Além disso, pode ocorrer uma redistribuição da
estrutura do geopolímero.
Em complemento, Mellado et al. (2017) afirmam que o mecanismo de ataque
ácido em materiais geopoliméricos pode ser dividido em três etapas: (a) Dissolução:
o teor de sódio e cálcio são lixiviados e trocados por íons de hidróxido da solução
ácida; (b) Eletrofílico: ligações de Si-O-Al poliméricas são atacadas e íons de
alumínio são removidos da estrutura de aluminossilicato e (c) Realinhamento de
cadeias: as vagas de quadros são reocupadas pelo silício, e então é formada uma
estrutura imperfeita altamente siliciosa.
De acordo com Bakharev (2005), em ambientes ácidos a deterioração dos
geopolímeros ocorre a partir da formação de fissuras na matriz do material. No
entanto, também pode ocorrer a partir da cristalização de zeólitas e da formação de
estruturas granuladas frágeis. O mesmo autor, ao estudar a resistência química de
35
geopolímeros baseados em cinza volante, quando em contato com soluções ácidas,
encontrou os resultados demonstrados na Tabela 3.
Tabela 3 – Porcentagem de perda de resistência à compressão de geopolímeros à base de cinza volante.
Resistência à
compressão inicial (MPa)
Tipo de ativador utilizado Tipo de ácido
Perda da resistência à compressão (%)
após 30 dias após 60 dias após 180 dias
56-58 Hidróxido de sódio e potássio Acético 4,50% 10% 38,30%
66 Silicato de Sódio Acético * * 60%
57-59,5 Hidróxido de sódio Acético * 45% 40%
56-58 Hidróxido de sódio e potássio Sulfúrico * 89% *
66 Silicato de Sódio Sulfúrico * 82% *
57-59,5 Hidróxido de sódio Sulfúrico 6,40% 10,40% 30,40% Fonte: Bakharev (2005).
No estudo de Bakharev (2005) (Tabela 3) as amostras apresentaram as
menores porcentagens de queda de resistência à compressão quando ativadas com
hidróxido de sódio e colocadas em contato com a solução de ácido sulfúrico, o que
possibilita dizer que este ativador funcionou de maneira mais eficaz na ativação dos
sistemas. Nestas amostras a redução de resistência mecânica foi significativamente
inferior. A adição de hidróxido de potássio (KOH) junto à solução de ativação na
mistura causou um aumento no diâmetro médio dos poros e reduziu a durabilidade
frente à solução ácida. No estudo, os geopolímeros preparados com hidróxido de
sódio foram mais estáveis, ou seja, tiveram menores perdas de resistência
mecânica. Já os geopolímeros preparados com soluções de ativação combinadas,
contendo silicato de sódio e hidróxido de potássio, apresentaram maiores
percentuais de perda de resistência à compressão.
Thokchom, Ghosh e Ghosh (2009) também avaliaram a resistência química
de argamassas geopoliméricas à base de cinza volante através de ensaios de
compressão diametral e perda de massa. Na pesquisa foi utilizada como solução
ativadora uma combinação de hidróxido de sódio e silicato de sódio. As amostras
foram expostas a uma solução de ácido sulfúrico com concentração de 10%, durante
18 semanas. A Tabela 4 mostra os resultados encontrados pelos autores.
36
Tabela 4 – Resultados dos ensaios de perda de massa e de resistência à compressão de geopolímeros à base de cinza volante.
Material Teor de Na 2O (%)
Perda de massa (%) Perda de resistência à compressão (%)
Argamassa I 5,00 0,41 52
Argamassa II 6,50 0,92 42
Argamassa III 8,00 1,23 28 Fonte: Thokchom, Ghosh e Ghosh (2009)
Os resultados apresentados na Tabela 4 mostram que uma maior quantidade
de álcalis (Na2O) na mistura proporcionou maior resistência à compressão das
argamassas após a exposição ao ácido sulfúrico. Lloyd, Provis e Van Deventer
(2012) também identificaram um aumento da durabilidade devido a maior
concentração de Na2O na mistura. Os autores concluíram que o teor de ativação
influenciou diretamente na durabilidade do material sob ataque ácido.
Burciaga-Díaz e Escalante-García (2012) verificaram que o aumento da
quantidade de silicatos solúveis proporcionou um aumento na resistência à
compressão dos geopolímeros antes do contato com ácidos (aproximadamente
30%). No entanto, após a exposição do material às soluções ácidas, os autores
verificaram que os geopolímeros preparados com maiores quantidades de sílica
solúvel apresentaram maior queda na resistência mecânica do que os geopolímeros
com menor teor de sílica solúvel. Segundo os autores, a quantidade de silicatos
solúveis acelera as ligações Si-Al durante o processo de geopolimerização, o que
favorece o ganho de resistência inicial. No entanto, a maior quantidade de sílica
solúvel no ativador causa uma redução no pH da solução, diminuindo a eficiência do
ativador em dissolver o precursor, o que acaba gerando um geopolímero menos
denso. Devido à falhas no processo de geopolimerização, algumas ligações Si-O
acabam não se rompendo e geram problemas na microestrutura do geopolímero no
estado endurecido. Quando expostas à ambientes ácidos, as ligações Si-O que não
foram rompidas se dissolvem facilmente e permitem a entrada da solução ácida para
dentro da matriz do geopolímero, acelerando o processo de deterioração do
material.
Além da quantidade de sílica, Lloyd, Provis e Van Deventer (2012) verificaram
que a quantidade de água na mistura também interfere diretamente na profundidade
de corrosão. Quanto menor a quantidade de água adicionada melhores os
37
resultados de resistência devido à redução na porosidade do material. Ainda, o
menor teor de água aumenta o poder de ativação da solução alcalina, o que propicia
a formação de um gel mais denso.
O desempenho dos geopolímeros é diretamente influenciado por diversos
fatores, entre eles destacam-se citar: percentual de álcalis, teor de silicatos solúveis
e quantidade de água. Baseando-se nisso, diversos autores avaliaram a resistência
a soluções ácidas visando encontrar teores ótimos de ativação.
Shi e Stegemann (2000) compararam a resistência ao ataque químico de
aglomerantes álcali ativados à base de escória de alto forno expostos a soluções de
ácido nítrico (pH 3) e ácido acético (pH 3 e 5), com o cimento Portland. De acordo
com os resultados há maior durabilidade nos materiais álcali ativados, no entanto,
ambos materiais, após a corrosão feita pelo ácido, formaram uma camada superficial
rica em sílica (SiO2·nH2O) que, de acordo com os autores, fornece uma barreira que
evita que a corrosão atinja maiores profundidades. De qualquer modo, o estudo
mostrou que a camada de gel de sílica produzida pelo aglomerante álcali ativado é
mais densa e resistente que a do cimento Portland. Esta diferença tem relação,
principalmente, com a maior quantidade de cálcio presente no cimento Portland, o
que acaba fragilizando esta capa protetora.
Bakharev, Sanjayan e Cheng (2003) também compararam o cimento Portland
com materiais ativados alcalinamente. Em sua pesquisa, os autores testaram
concretos geopoliméricos em contato direto com soluções ácidas e compararam com
concretos de cimento Portland. Os resultados mostraram que quando em contato
com solução de ácido acético, de pH 4, por 12 meses, o concreto geopolimérico teve
redução de resistência mecânica de cerca de 33%. Já para o concreto de cimento
Portland, a redução foi de 47%, ou seja, os geopolímeros foram mais duráveis. De
acordo com os autores, seu bom desempenho foi atribuído ao baixo teor de Ca
(40%) comparado ao cimento Portland (65%), que tornou o material menos solúvel a
substâncias ácidas.
Desta forma, e com base no que foi exposto, a utilização de aglomerantes
geopoliméricos pode ser uma alternativa para reduzir manifestações patológicas em
áreas de contato direto com substâncias ácidas. Levando-se em conta que os
materiais comumente empregados para produção desse tipo de aglomerante são
consumidos em sua totalidade pela indústria de cimento Portland, justifica-se o
estudo da produção de geopolímeros baseados em metacaulim.
38
3 MATERIAL E MÉTODOS
Neste capítulo são descritas as principais características dos materiais
utilizados para a produção de aglomerantes geopoliméricos, bem como o programa
experimental previsto, com o detalhamento dos procedimentos de ensaio adotados
para atingir os objetivos desta pesquisa.
3.1 Material
3.1.1 Precursor
O precursor utilizado nas sínteses dos geopolímeros foi um metacaulim obtido
através da calcinação do caulim natural de elevada pureza, extraído da jazida
localizada na cidade de Pantano Grande/RS.
Para que o caulim fosse transformado em metacaulim, o material foi calcinado
a uma temperatura de 750 °C durante o período de 2 horas, de acordo com métodos
desenvolvidos em pesquisas anteriores e testes de laboratório. (LONGHI, 2015;
LONGHI et al., 2016). Após a calcinação, o metacaulim passou por um processo de
moagem por um período de 120 minutos, em um moinho de bolas metálicas de 5-
10mm de diâmetro, com capacidade para 3,3kg de metacaulim (volume de 3,7
litros).
Após a moagem realizou-se o ensaio para a determinação da composição
química do metacaulim. A Tabela 5 apresenta os resultados obtidos através de
espectrometria por fluorescência de raios X (FRX).
Tabela 5 – Composição física e química do metacaulim.
Componentes Valores
SiO2 57%
Al2O3 40%
CaO + MgO < 0,1%
SO3 < 0,1%
Na2O < 0,1%
Eq. Alcalino Na2O < 0,1%
Fe2O3 < 2 %
TiO2 < 1 % Fonte: O autor (2019)
39
A distribuição granulométrica das partículas de metacaulim foi obtida através
da análise por Cilas LASER. O tamanho médio dos grãos obtido no ensaio é de
24,81 µm. A Figura 4 mostra a curva de distribuição granulométrica do material.
Figura 4 – Curva de distribuição granulométrica do metacaulim.
Fonte: O autor (2019)
A fim de avaliar as condições de cristalinidade do metacaulim produzido, foi
realizada a análise de difratometria de raios X (DRX). Para tanto, foi empregado um
difratômetro de marca Siemens (BRUKER AXS), modelo D-5000 (θ-θ), equipado
com tubo de ânodo fixo de Cu (λ = 1.5406 Å), operando a 40 kV e 40 mA no feixe
primário e monocromador curvado de grafite no feixe secundário. O intervalo angular
analisado foi de 5 a 75°, escala 2 θ, em passo de 0,05°/s, utilizando-se fendas de
divergência e anti-espalhamento de 1° e 0,2 mm no d etector. A Figura 5 mostra o
resultado da análise através de DRX do material. De acordo com o resultado, a
amostra apresenta-se, quase que em sua totalidade, amorfa. Isso pode ser
evidenciado através da presença de um desvio considerável da linha base
(background) ou halo identificado no intervalo 2θ entre 20-30º. Dois picos de baixa
intensidade foram observados e classificados como fases quartzo (SiO2).
40
Figura 5 – Resultado do ensaio de DRX do metacaulim.
Fonte: O autor (2019)
3.1.2 Ativador
A solução ativadora empregada no estudo foi o silicato de sódio alcalino
(Na2SiO3·nH2O). A concentração do produto foi 53% H2O, 15% Na2O e 32% SiO2,
uma relação SiO2/Na2O de 2,14. O silicato de sódio (SS) desta pesquisa foi
fornecido pela empresa Nilla Comércio de Produtos Ltda., da cidade de Porto
Alegre/RS e suas características podem ser avaliadas através da Tabela 6.
Tabela 6 – Características do Silicato de Sódio.
Características Especificação Unidade Características Organolépticas Liquido Viscoso -
Viscosidade Brookfield RVT 600,000 - 1300,000 cPs* Densidade 52,00 - 54,20 g/cm3
Óxido de Sódio 14,00 - 16,00 % Relação Na2O/SiO2 2,10 - 2,40 %
Sílica 31,00 - 34,00 % Sólidos Totais 45,00 - 50,00 %
* Centipoises
Fonte: O autor (2019)
O reagente empregado também é uma fonte de sílica para a mistura
geopolimérica, além da sílica fornecida pelo precursor (metacaulim). Para atingir o
teor de álcalis necessário para a ativação do metacaulim, foi utilizado, em conjunto
41
com o silicato de sódio, hidróxido de sódio (NaOH), de origem industrial, em
escamas, da marca Sodabel, com concentração de 99%.
3.2 Métodos
3.2.1 Síntese de ativação
Para a síntese dos geopolímeros o precursor foi ativado com quatro diferentes
concentrações de ativadores alcalinos. O processo consistiu em ativar quimicamente
o metacaulim submetendo-o a uma solução de silicato de sódio alcalino combinado
com hidróxido de sódio (NaOH). As quantidades de material adicionadas podem ser
visualizadas na Tabela 7. As pastas foram elaboradas à temperatura ambiente
(aproximadamente 23 °C).
Tabela 7 – Relações utilizadas para a ativação do metacaulim.
Nome
% Álcalis expressado como % de
(Na2O)
Módulo MS (SiO2/Na2O)
Água/ Sólidos
Relação molar total SiO2/Al 2O3
Relação molar total Na2O/Al 2O3
Geo 15 - 05 15 0,5 0,45 3,1 0,67 Geo 15 - 1 15 1 0,45 3,4 0,67
Geo 20 - 0,5 20 0,5 0,45 3,2 0,89 Geo 20 - 1 20 1 0,45 3,6 0,89
Fonte: O autor (2019)
A relação água/sólidos utilizada para a dosagem das pastas foi de 0,45, esta
foi definida de acordo parâmetros verificados por Foscarini e Tiecher (2018) que,
após testes laboratoriais, concluíram que utilizando esta relação era possível obter
pastas com trabalhabilidade adequada para moldar as amostras. Esta relação
corresponde à soma da água presente no silicato de sódio com a água livre,
divididos pela quantidade de materiais sólidos. Consideram-se materiais sólidos o
metacaulim, o hidróxido de sódio em escamas e os componentes sólidos do silicato
de sódio.
Existem três métodos que são usualmente utilizados para a ativação de
materiais a fim de torná-los aglomerantes geopoliméricos, o que dificulta a
padronização das relações. Para esta pesquisa, utilizou-se o método de ativação
42
que considera, inicialmente, a percentagem de Na2O necessária, com base na
quantidade de precursor que será ativado. Posteriormente, adicionam-se à mistura
os silicatos solúveis. Estes foram ajustados de acordo com a relação entre
SiO2/Na2O (Ms), determinada previamente. Este método foi selecionado por ser,
atualmente, o mais difundido internacionalmente para sistemas geopoliméricos.
(FERNÁNDEZ-JIMÉNEZ; PALOMO, 2005; LLOYD; PROVIS; VAN DEVENTER,
2012; BERNAL et al, 2016).
Embora as relações utilizadas nesta pesquisa não sejam exatamente iguais
às sugeridas pela literatura, as dosagens foram estabelecidas dentro de limites
baseados em trabalhos já existentes, tais como os apresentados na Tabela 2. As
variações nos teores de ativação se justificam pela diferença entre as condições de
ativação e a composição química e física dos materiais utilizados. Após definidas
essas relações, os materiais foram pesados e as quantidades de cada traço estão
apresentadas na Tabela 8.
Tabela 8 – Quantidade de materiais para cada traço.
Nome Metacaulim (g)
Sil icato de Sódio (g)
Hidróxido de Sódio (g)
Água (g)
Geo 15 - 05 100 22,3 15 44,8 Geo 15 - 1 100 44,5 10,7 35,8
Geo 20 - 0,5 100 29,7 20,1 44,7 Geo 20 - 1 100 59,4 14,3 32,8
Fonte: O autor (2019)
Inicialmente, o hidróxido de sódio foi dissolvido em água. Por esta ser uma
reação de natureza exotérmica, ocorre a liberação de calor. Devido a este fator, a
solução ficou em repouso durante 30 minutos para a redução da temperatura. Em
seguida, adicionou-se o silicato de sódio alcalino e, posteriormente, o metacaulim.
Com o auxílio de um misturador mecânico, os materiais foram
homogeneizados durante cinco minutos. Em seguida foram moldados corpos de
prova cilíndricos, com 36 mm de diâmetro e 72 mm de altura. O adensamento dos
corpos de prova foi feito em uma mesa vibratória para a retirada do ar incorporado
nas amostras, durante 60 s. Em seguida, os corpos de prova foram submetidos à
cura úmida, à temperatura ambiente (aproximadamente 23 °C), durante um período
de 28 dias.
43
Após o período de cura, as amostras foram imersas em soluções de ácido
acético e ácido lático. As soluções ácidas foram preparadas adicionando-se uma
concentração de 10 Molar de ácido acético e 10 Molar de ácido lático, em água
destilada, seguindo o mesmo procedimento realizado por Lloyd, Povis e Van
Deventer (2012). O pH da mistura foi monitorado diariamente com o auxílio de um
medidor de pH portátil. Baseado no método proposto por Gorninski e Kazmierczak
(2008), após sete dias de imersão em soluções ácidas, as amostras foram retiradas
e lavadas com água para posterior análise de durabilidade.
3.2.2 Resistência à compressão
Para avaliar a resistência à compressão das amostras, realizaram-se ensaios
de acordo com a NBR 7215. (ABNT, 1996). Esta norma destina-se à avaliação de
cimento Portland, mas como não existem padrões para a caracterização de
argamassas geopoliméricas, esta pesquisa empregará o procedimento experimental
da referida norma para avaliar a resistência à compressão das misturas.
Para a determinação da resistência à compressão média foram moldados seis
corpos de prova para cada traço de geopolímero. Estes foram submetidos ao ensaio
como (amostras de referência) e após a imersão nas soluções ácidas (resultados),
sendo três exemplares para cada avaliação de resistência.
A ruptura dos corpos de prova ocorreu sete dias após a retirada das amostras
das soluções ácidas. Durante o ensaio, a velocidade de aplicação da carga foi de
0,7 mm/min, em uma prensa modelo PC200C, da marca EMIC, com capacidade de
2000 kN e precisão de aproximadamente 1% da carga aplicada.
Como as resistências foram avaliadas antes e após a imersão das amostras
nas soluções ácidas, foi possível verificar se houve perda de resistência mecânica
nos geopolímeros e, além disso, determinar qual ácido se mostrou mais agressivo às
pastas geopoliméricas.
3.2.3 Perda de massa
Para esta avaliação, utilizou-se o método adaptado de Gorninski e
Kazmierczak (2008). Após o período de cura de 28 dias, três amostras de cada traço
de geopolímero foram pesadas e, posteriormente imersas em soluções de ácido
44
acético e lático, durante sete dias. As amostras foram então lavadas com água e
permaneceram em ambiente de laboratório durante sete dias para a secagem. Após
a secagem, as amostras foram pesadas novamente, podendo-se, assim, determinar
o percentual de redução de massa das mesmas. As pesagens foram realizadas no
ambiente de laboratório em uma balança semi-analítica, da marca Behaca, modelo
bk 300.
3.2.4 Profundidade de corrosão
Também com o intuito de avaliar a resistência dos geopolímeros expostos a
soluções ácidas, realizou-se a análise da profundidade de corrosão. Esta etapa foi
dividida em duas partes, conforme se descreve a seguir:
1. Para a primeira análise empregou-se o método proposto por Lloyd,
Provis e Van Deventer (2012). Após sete dias de imersão das amostras
nas soluções ácidas, realizou-se escovação manual das mesmas com uso
de escova de aço. Este procedimento de escovação foi realizado para
retirar o material deteriorado pela solução. De acordo com os princípios
do método, o material não atingido pelo ácido não é danificado. Com o
auxílio de um paquímetro eletrônico mediram-se a altura das amostras,
sendo empregados três corpos de prova por traço. Com os resultados
obtidos antes e após a imersão nas soluções ácidas foi possível estimar a
profundidade de penetração do ácido na pasta geopolimérica.
2. Na segunda etapa da análise as amostras foram serradas ao meio e, a
partir de imagens fotográficas, realizou-se uma análise macroscópica da
superfície das amostras. Para auxiliar as leituras aplicou-se uma solução
de fenolftaleína 1% na superfície cortada. Assim, através da mudança de
coloração do material, foi possível determinar a área deteriorada pelo
ácido. O método utilizado para tal analise foi adaptado de Mellado et al.
(2017). Realizaram-se medições de cada área verificada na superfície das
amostras como se ilustra na Figura 6. A partir destas medições, baseadas
na mudança de tonalidade, foram determinadas: profundidade corroída,
profundidade neutralizada e profundidade intacta. As medições foram
realizadas com auxílio do software ImageJ, que permitiu converter a
distância em pixels para milímetros. Onde o marcador identificou o pH
45
alcalino, determinou-se que o ácido não atingiu tal profundidade na
amostra, podendo ser identificado pela cor rosa, que mostra que esta
camada foi determinada como intacta. A parte sem sinais de degradação
e tonalidade idêntica à amostra original foi considerada como camada
neutralizada, ou seja, o pH não é mais alcalino, porém o ácido não
deteriorou a amostra. As amostras que apresentavam sinais físicos de
deterioração e/ou alteração da coloração original da amostra foram
classificadas como corroídas.
Figura 6 – Modelo de análise da profundidade de corrosão.
Fonte: O autor (2019)
3.3 Análise estatística dos resultados
Para análise estatística dos resultados utilizaram-se dois parâmetros de
controle: (a) concentração de ativação; (b) solução ácida. Para o primeiro parâmetro
utilizou-se quatro níveis, para o segundo, dois níveis. Ao todo foram feitas oito
combinações para que todos os resultados fossem devidamente avaliados, conforme
apresenta-se na Tabela 9.
46
Tabela 9 – Combinações entre fatores e níveis empregados para análise estatística.
Ordem Precursor Água/Sólidos % Álcalis Módulo Ms Solução Ácida 1 Metacaulim 0,45 15 0,5 Acético 2 Metacaulim 0,45 15 0,5 Lático 3 Metacaulim 0,45 15 1 Acético 4 Metacaulim 0,45 15 1 Lático 5 Metacaulim 0,45 20 0,5 Acético 6 Metacaulim 0,45 20 0,5 Lático 7 Metacaulim 0,45 20 1 Acético 8 Metacaulim 0,45 20 1 Lático
Fonte: O autor (2019).
As variáveis de resposta analisadas foram a resistência à compressão, a
perda de massa e a profundidade de corrosão. A análise dos dados baseou-se em
um modelo estatístico fatorial completo. Para cada análise foram feitas três
repetições, a fim de evitar erros sistemáticos. Foram necessárias 96 amostras para
que todas as variáveis de resposta fossem analisadas.
Tabela 10 – Cálculo da quantidade de repetições, de acordo com o erro experimental.
Fatores Graus de liberdade Ativadores alcalinos (AA) 3
Soluções ácidas (SA) 1 Interação entre (AA) x (SA) 3
Erro Experimental 16 Total 23
Fonte: O autor (2019).
47
4 RESULTADOS
4.1 Resistência à compressão
A fim de avaliar se as pastas se mantinham estáveis após a imersão nas
soluções ácidas, três amostras de cada traço foram avaliadas antes do contato com
os ácidos, sendo denominadas amostras de referência. A Figura 7 apresenta os
valores de resistência à compressão dos geopolímeros dosados neste estudo antes
do ataque ácido.
Figura 7 – Resistência à compressão média das amostras de referência.
7,86
28,26
15,11
40,88
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Geo 15-05 Geo 15-1 Geo 20-05 Geo 20-1
Geopolímeros
Res
istê
nci
a à
com
pre
ssão
(M
Pa)
Fonte: O autor (2019).
A partir das resistências apresentadas na Figura 7, nota-se que houve
influência tanto do incremento na quantidade de sódio (Na2O) das misturas, quanto
da adição de sílica solúvel (SiO2). Tais resultados são coerentes com os
apresentados por Wang, Li e Yan (2005) para concentrações semelhantes,
indicando que as condições de ativação utilizadas foram adequadas para a
produção das pastas geopoliméricas do presente estudo.
Através da Figura 8 verifica-se que os geopolímeros do traço Geo 15-05
resultaram em resistência à compressão média de 7,86 MPa, enquanto a resistência
dos geopolímeros do traço Geo 15-1 foi de 28,26 MPa. Isso sugere que, mantendo-
se fixa a quantidade de álcalis do sistema (Na2O), com o aumento apenas da
48
quantidade de sílica solúvel, ocorre um aumento médio de 72,17% na resistência à
compressão das amostras.
Comportamento semelhante foi verificado para as amostras Geo 20-05 e Geo
20-1, cujas resistências médias foram de 15,11 e 40,88 MPa, respectivamente. Para
estas amostras o aumento de resistência foi de 60,20%. Em ambas as comparações
verificou-se que, mesmo mantendo constante a quantidade de álcalis do sistema
(relação Na2O/Al2O3), as resistências aumentaram devido ao incremento de sílica
solúvel junto à solução de ativação.
É possível afirmar que em todas as relações de ativação, testadas quanto à
compressão, apresentaram resultados estatisticamente significativos, o que
possibilitou avaliar a influência do teor de ativação na resistência mecânica das
amostras.
Tal fenômeno está ligado à síntese de ativação dos geopolímeros. Observa-
se o aumento na resistência quando a relação SiO2/Al2O3 foi aumentada de 3,1 para
3,4 e 3,2 para 3,6. Isso ocorre devido ao incremento na quantidade de sílica no
sistema. A evolução da resistência à compressão das amostras que obtiveram os
melhores resultados (SiO2/Al2O3 3,2 e 3,6) pode ser verificada na Figura 8, onde
percebe-se a diferença nas resistências das amostras avaliadas apenas alterando o
teor de silicatos solúveis da mistura.
Figura 8 – Evolução da resistência à compressão das amostras Geo 20-05 e Geo 20-1 em função da relação SiO2/Al2O3.
Fonte: O autor (2019).
49
Segundo o que traz a literatura, ao adicionar sílica solúvel no sistema,
proveniente do silicato de sódio alcalino mais ligações entre sílica-alumínio ocorrem,
possibilitando a formação de uma quantidade maior de gel polimérico (N-A-S-H) e,
por consequência, acarretando um ganho de resistência mecânica. Isso ocorre
porque as ligações Si-O são as de maior energia no precursor (metacaulim) e,
portanto, demandam, além de um ambiente altamente alcalino, mais tempo para
serem rompidas e liberarem espécies ativas de sílica (Si(OH)3-). Já as ligações Al-O
são mais fracas e se rompem facilmente liberando espécies ativas de alumínio
(Al(OH)4) com velocidade superior (DUXSON; FERNÁNDEZ-JIMÉNEZ et al., 2007;
PROVIS; BERNAL, 2014).
Contudo, com a adição de sílica solúvel no sistema, ao ser dissolvido, o
alumínio liga-se com as moléculas de sílica rapidamente, acelerando o processo de
formação de produtos de reação, uma vez que não há necessidade de esperar que
a sílica presente no metacaulim seja dissolvida. As espécies ativas, com o avanço
das reações, aumentam suas concentrações, condensam e precipitam, formando
oligômeros, que posteriormente se polimerizam e formam o gel N-A-S-H. (PROVIS;
BERNAL, 2014).
Ao empregar soluções alcalinas com silicatos solúveis (de sódio) aumentou-
se a cinética das reações, quando comparadas às soluções de hidróxidos alcalinos,
levando à formação de uma estrutura mais compacta e de maior estabilidade.
Diversos autores também citam que o incremento de resistência também pode ser
atribuído ao aumento da relação SiO2/Na2O do sistema, resultando estruturas com
maior grau de amorficidade e resistências mecânicas mais elevadas. (ALONSO;
PALOMO, 2001; FERNÁNDEZ-JIMÉNEZ; PALOMO, 2005; LEE; VAN DEVENTER,
2002). Para Fernández-Jiménez e Palomo (2005) os valores ideais para o módulo de
sílica (SiO2/Na2O) ficam entre 1 e 1,4, o que é coerente com os valores encontrados
nesta pesquisa, indicando que o aumento da quantidade de sílica solúvel tende a
ocasionar ganho de resistência mecânica.
No entanto, cabe salientar que, ao aumentar o Ms a valores superiores a 1, o
custo de produção se torna economicamente inviável, uma vez que o silicato de
sódio é o insumo mais caro. Além disso, em alguns casos, o excesso de silicato de
sódio pode implicar em queda na resistência mecânica e, para exemplificar, cita-se o
estudo de Scopel (2016), que avaliou a ativação da cinza de fundo e constatou
queda na resistência ao aumentar o módulo Ms de 1 para 1,5.
50
A fim de avaliar a durabilidade das amostras após a imersão em soluções de
ácido acético e láctico, realizou-se um novo ensaio de resistência à compressão.
Após o ensaio verificou-se que todas as amostras avaliadas apresentaram reduções
na resistência. A Tabela 11 mostra as resistências à compressão médias das
amostras de referência e das amostras que foram imersas nas soluções ácidas.
Tabela 11 – Resistência à compressão média das amostras de referência e das amostras que sofreram o ataque químico com soluções ácidas
Amostras Referência (MPa) Ácido acético (MPa) Ácido láctico (MPa) Geo 15-05 7,86 2,01 2,97 Geo 15-1 28,26 23,25 24,57 Geo 20-05 15,11 13,00 13,81 Geo 20-1 40,88 34,81 36,09
Fonte: O autor (2019).
A partir dos resultados da Tabela 11 calcularam-se as porcentagens de perda
de resistência das amostras, a tabela mostra a resistência à compressão de
referência e as resistências residuais encontradas. Nota-se que ocorre uma perda
significativa da resistência mecânica em todos os traços avaliados.
Para os traços com 15% de álcalis (Geo 15-05 e Geo 15-1), a redução na
resistência foi de 62,12% e 13,06% para soluções de ácido acético e láctico,
respectivamente. Já, para os geopolímeros com 20% de álcalis, as reduções foram
de 8,60% para o Geo 20-05 e 11,73% para o Geo 20-1.
A solução de ácido láctico se mostrou mais agressiva às amostras
geopoliméricas avaliadas. O traço mais afetado foi o Geo 15-05, no qual a perda de
resistência atingiu 74,39%. Já a amostra Geo 15-1 teve a resistência reduzida em
17,71%. As amostras Geo 20-05 e Geo 20-1 tiveram perdas de 13,96% e 11,57%,
respectivamente.
51
Figura 9 – Resistência à compressão média das amostras que sofreram ataques de soluções ácidas e de amostras de referência.
7,8
6
28
,26
15
,11
40
,88
2,0
1
23
,25
13
34
,81
2,9
7
24
,57
13
,81
36
,09
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Geo 15-05 Geo 15-1 Geo 20-05 Geo 20-1
Res
istê
nci
a à
com
pre
ssão
(M
Pa)
Referência MPa Ácido Acético MPa Ácido Láctico MPa
Fonte: O autor (2019).
É possível verificar que o traço Geo 15-05 apresentou grande perda de
resistência à compressão quando em contato com ambas as soluções ácidas, em
média as amostras apresentaram uma redução de 60 a 70%. Possivelmente a
redução ocorreu pelo fato de ter um teor reduzido da solução de ativação, assim, as
reações de geopolimerização não ocorreram da forma esperada. Ou seja, a
quantidade de material de ativação não foi suficiente para que todo o metacaulim
reagisse. A queda expressiva de resistência indica que, provavelmente, a solução
ácida lixiviou as partículas de metacaulim que não reagiram, possibilitando que o
ácido atingisse camadas mais profundas da amostra.
Os danos mais profundos ocorreram de forma mais acentuada nas amostras
com ativação Geo 15-05. No entanto, todas as amostras sofreram danos na matriz
geopolimérica, sendo que as ligações Si-O-Al foram atacadas. Esse efeito causou
enfraquecimento da estrutura do geopolímero, conforme mostra a Figura 10, que
apresenta os percentuais de perdas de resistência. (BURCIAGA-DÍAZ;
ESCALANTE-GARCÍA, 2012).
52
Figura 10 – Comparativo do percentual de perda de resistência à compressão das amostras.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Geo 15-05 Geo 15-1 Geo 20-05 Geo 20-1
Per
cen
tual
de
Per
da
de
Res
istê
nci
a
Acético
Láctico
Fonte: O autor (2019).
Apesar dos teores de ativação irem aumentando entre as amostras, não foi
possível identificar diferença significativa de perda de resistência entre as amostras
Geo 15-1, Geo 20-05 e Geo 20-1, apesar do traço Geo 20-05 se mostrar mais
estável. Também é possível afirmar que para os teores ativados, as duas soluções
ácidas (ácidos acético e láctico) e sua interação com o teor de ativação não exercem
influência significativa na resistência das amostras, o que pode se verificar na Figura
10, na qual não se pode perceber uma diferença acentuada nos percentuais de
perda de resistência à compressão residual nas amostras imersas em ácido acético
e láctico.
Contudo, apesar de o percentual de redução na resistência à compressão dos
geopolímeros avaliados parecer elevado, se se comparar os resultados à avaliações
semelhantes realizadas com cimento Portland, poder-se-á notar que os resultados
obtidos foram satisfatórios.
Bakharev, Sanjayan e Cheng (2003) ao avaliar a durabilidade de concretos
tradicionais expostos a solução de ácido acético (pH 4) verificaram um percentual
médio de perda de resistência 14% superior quando comparado com os
aglomerantes ativados alcalinamente avaliados pelos autores. Em média, os autores
constataram que, a perda de resistência à compressão foi de 47% para os concretos
à base de cimento Portland. Comparando os resultados citados aos obtidos nesta
pesquisa é possível perceber que os melhores resultados (Geo 20-05 e Geo 20-1),
53
apresentaram percentuais de perda de resistência de aproximadamente 14%, o que
mostra uma redução de aproximadamente 33% na perda de resistência.
Contudo, vale ressaltar que vários fatores podem influenciar os resultados,
portanto não se pode tomar como regra esta diferença. Vale lembrar que os teores
de ativação, a concentração da solução ácida e o tempo de exposição usados nesta
pesquisa não foram idênticos ao da pesquisa citada. Devido a isso, os resultados
podem sofrer variações.
Realizou-se uma análise estatística (ANOVA) para verificar se os teores de
ativação e o tipo de solução ácida influenciavam na resistência à compressão das
amostras avaliadas (Tabela 12). Através da Tabela 6 é possível afirmar, com 95% de
confiabilidade, que o teor de ativação exerce influência direta na resistência à
compressão das amostras. Antes de realizar a análise ANOVA testou-se a
normalidade dos dados através do teste de D’Agostine Pearson, por meio do qual
verificou-se que os dados seguem uma distribuição normal.
Tabela 12 – Análise de variância (ANOVA) da resistência à compressão.
Fatores Soma dos quadrados
Graus de liberdade
Média quadrática Valor – F Valor - p
Solução ácida 218,38 1 218,38 1,6016 0,223796 Teor de ativação 13787,26 3 4595,75 33,7054 0,000000
Interação SxT 59,95 3 19,98 0,1466 0,930386 Erro 2181,61 16 136,35 -- --
Fonte: O autor (2019).
Para as amostras com 20% de álcalis (Geo 20-05 e Geo 20-1) a perda de
resistência foi menor, o que está relacionado ao processo de ativação do
metacaulim. A dissolução do metacaulim está diretamente relacionada com a
alcalinidade da solução de ativação, por isso, quanto maior o percentual de solução
empregado (20%), maior a resistência.
A análise estatística também evidenciou que o teor de álcalis influenciou nas
resistências obtidas. Com o incremento de hidróxido de sódio, a solução de ativação
alcançou maior alcalinidade, promovendo melhor dissolução do metacaulim para
fase aquosa e posteriormente, facilitou a formação do gel N-A-S-H (PROVIS;
BERNAL, 2014). O aumento na quantidade de gel indica uma maior quantidade de
produtos reagindo, o que significa que mais metacaulim foi dissolvido e que menos
54
material não reativo se encontra no interior da amostra. Isso sugere que o material
terá uma menor quantidade de vazios e possivelmente uma maior densidade.
4.2 Perda de massa
A Tabela 13 apresenta os valores médios de perda de massa, obtidos a partir
de três amostras individuais para cada traço. Conforme descrito anteriormente, no
capítulo 3, depois do período de cura, as amostras ficaram sete dias em ambiente de
laboratório e, posteriormente, tiveram seus valores de referência medidos. Após, as
amostras foram imersas nas soluções de ácido acético e láctico durante sete dias.
Então, as amostras foram retiradas da solução e lavadas em água corrente,
permanecendo em ambiente de laboratório por mais sete dias para secagem,
quando procedeu-se a medição das massas novamente.
Tabela 13 – Perda de massa das amostras geopoliméricas submetidas a ataque ácido.
Material Teor de Álcalis (%) Módulo Ms Solução Ácida Perda de Massa
(%) Geopolímero 15 0,5 Acético 9,30 Geopolímero 15 1 Acético 7,19 Geopolímero 20 0,5 Acético 6,73 Geopolímero 20 1 Acético 8,05 Geopolímero 15 0,5 Láctico 10,24 Geopolímero 15 1 Láctico 7,59 Geopolímero 20 0,5 Láctico 7,40 Geopolímero 20 1 Láctico 8,33
Fonte: O autor (2019).
A partir dos resultados obtidos na análise de variância (ANOVA, Tabela 14) é
possível afirmar que o tipo de solução ácida não exerceu influência significativa na
perda de massa das amostras, assim como a interação entre as soluções ácidas e o
teor de ativação. O único fator que influenciou a perda de massa foi o teor de
ativação dos geopolímeros.
Tabela 14 – Uma análise de variância (ANOVA) da variável perda de massa.
Fatores Soma dos quadrados
Graus de liberdade
Média quadrática Valor – F Valor - p
Teor de Ativação 56,374 3 18,791 8,438 0,001368 Soluçã o Ácid a 3,963 1 3,963 1,779 0,200914 Ativação*Ácido 0,903 3 0,301 0,135 0,937589
Erro 35,633 16 2,227 - - Fonte: O autor (2019).
55
As amostras com traço Geo 15-05 e Geo 20-1 foram as que obtiveram as
maiores porcentagens de perda de massa. Ambas as amostras apresentaram um
comportamento parecido após o ataque ácido, independente do ácido testado.
Assim como foi observado na análise da perda de resistência, o traço 15-05 se
mostrou mais frágil e nele notou-se a maior perda de massa, dentre todos os traços
avaliados.
A Figura 11 evidencia que, apesar da pequena diferença, houve maior perda
de massa nas amostras atacadas com ácido láctico. As amostras Geo 15-1 e 20-05
foram as que apresentaram melhores resultados. O traço Geo 15-1 possui relação
SiO2/Al2O3, de 3,4, sugerindo que o aumento na quantidade de sílica solúvel no
sistema possibilitou a formação de maiores quantidades de produtos de reação.
Para o traço Geo 20-05, a relação SiO2/Al2O3 foi de 3,2. Contudo, comparando os
traços, houve redução de aproximadamente 33% na quantidade de silicato alcalino
durante a dosagem do traço Geo 20-05, mas, mesmo assim, a perda de massa foi
menor, o que indica que o incremento de sílica solúvel é importante até certo ponto,
conforme já foi descrito por Fernández-Jiménez e Palomo (2005). Segundo os
autores, o excesso de silicato alcalino pode prejudicar o desempenho do
geopolímero. E, além disso, nota-se um fator custo/desempenho muito melhor para
o traço Geo 20,05, visto que a redução de 33% de silicato solúvel durante a ativação
corresponde a uma queda significativa no custo de produção deste traço, uma vez
que o silicato de sódio é o insumo com maior custo.
A variação no percentual de perda de massa, foi influenciada principalmente
pelas alterações no teor de sódio. Quando se analisou a influencia no teor de sílica
(relação SiO2/Al2O3), foi percebido que o aumento de 100% na quantidade de sílica
solúvel adicionada no teor de ativação causou uma redução de 2,38% na perda de
massa (em média), quando comparadas às amostras Geo 15-05 e Geo 15-1 (Figura
14). Fazendo-se a comparação com as amostras Geo 15-05 e Geo 20-05, nota-se
uma redução média na perda de massa de 2,72%. Contudo, nestas amostras a
concentração de sílica solúvel foi praticamente a mesma, a única alteração foi o
incremento de 25% de hidróxido de sódio. Esta alteração se mostrou mais efetiva,
tanto tecnicamente quanto economicamente, para a redução da perda de massa.
56
Figura 11 – Influência do teor de sílica solúvel na perda de massa média das amostras.
Fonte: O autor (2019).
A principal diferença entre os traços Geo 15-1 e Geo 20-05 é a quantidade de
álcalis no sistema. Para o traço Geo 15-1, a relação Na2O/Al2O3 foi de 0,67, já para o
traço Geo 20-05 de 0,89. Sendo assim, a partir dos resultados, nota-se que, apesar
da quantidade de sílica auxiliar diretamente no ganho de resistência mecânica, por
acelerar as reações de geopolimerização, não se mostra eficaz no aumento da
durabilidade das amostras, quando se avalia a perda de massa. Além disso, quando
é adicionada em excesso no sistema, a sílica solúvel, reduz o poder de ativação da
solução ativadora (Na2O + H2O) e, consequentemente, reduz a durabilidade dos
geopolímeros. Esse comportamento foi observado por autores como Scopel (2016) e
Topçu, Toprak e Uygunoǧlu (2014).
A redução do pH da solução ativadora explica o que foi exposto, ou seja, para
dissolver o precursor, neste caso o metacaulim, é necessário um meio aquoso
altamente alcalino. Contudo, o principal responsável pela alcalinidade do sistema é o
hidróxido de sódio e, ao aumentar a relação SiO2/Al2O3 ocorre o incremento da sílica
solúvel no sistema, mas mantém-se fixa a quantidade de sódio. Como resultado
deste processo tem-se a má dissolução do metacaulim, isto é, algumas ligações de
maior energia do metacaulim não são rompidas. Segundo Burciaga-Díaz e
Escalante-García (2012), Duxson; Fernández-Jiménez et al. (2007) e Provis (2014),
comumente as ligações de maior energia ocorrem entre a sílica e o oxigênio (Si-O).
Em decorrência disso as moléculas de sílica que não se dissolvem na solução de
57
ativação, não se ligam às moléculas de sódio e alumínio, e acabam não reagindo.
As moléculas que não reagiram são facilmente lixiviadas, principalmente por
soluções ácidas.
No caso da mistura Geo 15-1, os resultados sugerem que o incremento na
quantidade de sílica promoveu falhas no processo de geopolimerização, e as
moléculas de sílica que não reagiram foram facilmente lixiviadas, o que implicou em
maior de perda de massa. Além disso, após a lixiviação, o vazio deixado serve como
caminho para que o ácido penetre mais profundamente e acabe aumentado a
extensão de lixiviação, conforme poderá ser melhor avaliado no próximo item deste
capítulo (item 4.3), a respeito da profundidade de corrosão promovida pelo ácido. De
qualquer modo, é possível afirmar que, apesar da quantidade de sílica influenciar
diretamente na resistência à compressão dos geopolímeros, seu uso em excesso
acarreta redução da durabilidade frente às soluções ácidas das amostras avaliadas.
Também é possível afirmar que, mesmo o traço que obteve o pior
desempenho (Geo 15-05), com percentual de perda de massa de 9,30%, quando
submetido ao ácido acético, e 10,24% para o ácido láctico, em termos de
durabilidade, comparativamente aos resultados de concretos à base de cimento
Portland expostos às mesmas soluções ácidas (acético e láctico), foi superior. No
estudo realizado por Viera et al. (1997), verificou-se perda de massa de até 30% em
concretos sujeitos a soluções de ácido láctico, e de até 12% para soluções de ácido
acético.
Vale ressaltar que as comparações a respeito do comportamento de amostras
geopoliméricas com amostras de cimento Portland, mesmo que submetidas às
mesmas condições de ataque, podem variar de acordo com os traços usados para a
dosagem de cada material, uma vez que a dosagem de geopolímeros é totalmente
diferente da dosagem de materiais à base de cimento Portland. Além disso, é
importante ter cautela ao determinar a durabilidade às soluções ácidas de
geopolímeros através de ensaio de perda de massa, especialmente porque, após a
imersão dos geopolímeros na solução, a superfície da amostra fica danificada, mas
esta parcela não se desprende da matriz intacta e, devido a isso, não é contabilizada
como parcela do material perdido. Por isso, a principal influência neste ensaio é
dada pelas partes que são lixiviadas. A Figura 12 mostra a superfície de uma
amostra, evidenciando que, apesar de deteriorada pelo ácido, a superfície não se
58
desprendeu da matriz, ou seja, ao medir a massa dessa amostra não foi
contabilizada a perda dessa parte, que já está deteriorada.
Figura 12 – Superfície da amostra após (A) e antes da imersão em ácido láctico.
Fonte: O autor (2019).
De qualquer forma, segundo o estudo de Lloyd, Provis e Van Deventer
(2012), não é possível afirmar que a camada superficial degradada seja totalmente
ineficiente na resistência à corrosão. Segundo os autores, mesmo sem aglutinação,
a camada corroída continua fornecendo uma barreira física, dificultando, mesmo que
em menores proporções, a migração da solução ácida para o interior da amostra.
Também vale ressaltar que o ensaio de perda de massa é muito sensível ao
formato da peça que está sendo analisada. Por exemplo, um disco terá uma perda
de massa superior a uma peça cilíndrica. Devido a isso, é importante que a perda de
massa seja analisada em conjunto com outros ensaios para avaliar a resistência à
corrosão de materiais geopoliméricos.
Não é possível definir com certeza a durabilidade de amostras a partir deste
método, visto que a parte de material corroído fica presa na matriz mesmo sem
exercer resistência mecânica. Os ensaios de perda de massa não são
suficientemente sensíveis para detectar a deterioração de misturas geopoliméricas
devido ao ataque ácido. No entanto, apesar das limitações do método, os resultados
foram coerentes com os demais testes realizados.
59
4.3 Profundidade de corrosão
4.3.1 Profundidade de corrosão – lixamento mecânico
A fim de avaliar a influência do tipo de solução ácida, do teor de ativação e da
interação de ambos na profundidade de corrosão devido aos ataques químicos
promovidos no estudo, foi realizada uma análise de variância dos resultados
medidos de profundidade de corrosão após o lixamento mecânico das superfícies
deterioradas, conforme foi detalhado no capítulo de descrição dos métodos.
A partir da Tabela 15 é possível afirmar, com 95% de probabilidade, que o
teor de ativação influenciou diretamente a profundidade de corrosão. Todavia, o tipo
de solução ácida empregado (acético ou láctico) e a interação entre teor de ativação
e tipo de solução, não apresentaram resultados que possam ser considerados
estatisticamente diferentes, ou seja, não exercem influência significativa para a
ocorrência da deterioração das amostras geopoliméricas.
Tabela 15 – Uma análise de variância (ANOVA) da variável profundidade de corrosão.
Fatores Soma dos quadrados
Graus de liberdade
Média quadrática Valor - F Valor - p
Solução ácida 0,22042 1 0,22042 0,5031 0,488353 Teor de ativação 22,26809 3 7,42270 16,9420 0,000032 Ativação x ácido 0,10015 3 0,03338 0,0762 0,971944
Erro 7,01000 16 0,43813 Fonte: O autor (2019).
Tabela 16 – Interações entre fatores utilizadas para análise.
Material Teor de Álcalis (%) Módulo Ms Solução Ácida
Profundidade de Corrosão média
(mm) Geopolímero 15 0,5 Acético 2,88 Geopolímero 15 1 Acético 1,72 Geopolímero 20 0,5 Acético 0,49 Geopolímero 20 1 Acético 0,80 Geopolímero 15 0,5 Láctico 3,22 Geopolímero 15 1 Láctico 1,79 Geopolímero 20 0,5 Láctico 0,55 Geopolímero 20 1 Láctico 1,10
Fonte: O autor (2019).
A influência do teor de ativação na profundidade de corrosão do material pode
ser mais bem visualizada através da Figura 13. É possível verificar que a maior
60
profundidade de corrosão foi obtida no traço com menor teor de sódio e sílica (Geo
15-05), sendo esta correspondente a 3,22 mm, quando exposta à solução de ácido
láctico. Também é possível verificar que a profundidade de corrosão diminui a partir
do incremento de mais solução ativadora. Para o traço Geo 15-1 a maior
profundidade média de corrosão foi de 1,79 mm. A principal alteração entre estes
traços foi a quantidade de silicatos solúveis. A diferença na quantidade de sílica
solúvel entre estes dois traços foi de 20%, ou seja, aumentando 20% o teor de
silicato solúvel notou-se uma redução de 44,40% na profundidade de corrosão das
amostras.
Ainda, é possível afirmar que no traço Geo 15-05, a matriz geopolimérica
ficou fragilizada, devido a deficiência na dissolução do precursor pela solução
ativadora durante o processo de geopolimerização, possibilitando a lixiviação de
sódio e a sua substituição por íons de hidróxido da solução ácida. Do mesmo modo,
com o avanço da solução para o interior da amostra, as ligações Si-O-Al foram
atacadas, o que, possivelmente, fragilizou a amostra em camadas mais profundas.
(MELLADO et al, 2017).
Figura 13 – Profundidade de corrosão média por teor de ativação para o ácido acético e láctico.
Fonte: O autor (2019).
Através da Figura 13 é possível avaliar com maior detalhe a influência do teor
do ativador na profundidade de corrosão. Na figura nota-se que o traço Geo 20-05,
61
foi o que apresentou menor taxa de corrosão para o ácido acético (0,49mm e 0,55
mm, respectivamente). O traço cuja quantidade de solução ativadora é maior, Geo
20-1, apresentou profundidade de corrosão de 0,80 mm para o ácido acético e de
1,10 mm para o ácido lático, evidenciando o papel do teor de sílica da mistura, uma
vez que ambos possuem o mesmo teor de álcalis (20%).
A análise dos resultados de resistência mostrou que o acréscimo de sílica foi
benéfico. Nos traços com menor conteúdo de álcalis (15%), no qual houve variação
do modulo de sílica (Ms) de 0,5 para 1, foi possível perceber os maiores efeitos do
aumento do conteúdo de sílica solúvel. Nestes traços, a redução na profundidade de
corrosão foi de 40,27% para as amostras expostas ao ácido acético e de 44,40%
para as amostras imersas em ácido láctico.
Os resultados obtidos no presente estudo estão de acordo com os obtidos por
Lloyd, Provis e Van Deventer (2012), que verificaram uma redução de 10% na
profundidade de corrosão devido ao aumento na quantidade de sílica solúvel na
solução ativadora. Contudo, apesar dos resultados encontrados nesta pesquisa
serem bastante coerentes, há diferenças devido ao tipo de precursor utilizado. Nesta
pesquisa os geopolímeros foram baseados em metacaulim, enquanto na pesquisa
citada os autores utilizaram a cinza volante. A principal diferença entre os materiais é
a quantidade de cálcio. Sabe-se que o metacaulim possui uma quantidade muito
pequena de cálcio em sua composição química, no geral o percentual de cálcio em
metacaulim fica próximo a 1%, ao contrário da cinza volante, na qual a presença
deste marcador depende de sua origem, entretanto, comumente, a quantidade de
cálcio presente neste material é superior a do metacaulim.
Contudo, quando se analisaram os traços com 20% de álcalis (Geo 20-05 e
Geo 20-1), cujas relações SiO2/Na2O foram de 0,5 e 1 respectivamente (Ms),
percebeu-se que o aumento na quantidade de sílica solúvel, apesar de proporcionar
um grande aumento na resistência à compressão das amostras, não foi benéfico
para a durabilidade do material, uma vez que verificou-se aumento na camada
corroída. Para as amostras imersas em ácido acético o aumento foi de 38,75% já
para as amostras imersas em ácido láctico, o aumento foi de 50%.
Pode-se verificar que para os sistemas com 15% de álcalis, o aumento no
teor de sílica foi benéfico, é possível que mesmo que a quantidade de sódio não
fosse suficiente para dissolver por completo o metacaulim, o incremento de sílica
solúvel facilitou a formação dos produtos de reação e possibilitou que as amostras
62
apresentassem uma melhora nos resultados de profundidade de corrosão. No
entanto, nos sistemas com 20% de álcalis, nos quais os resultados indicam que o
teor de sódio era suficiente para dissolver o precursor, o incremento de mais sílica,
ou seja, o aumento do modulo Ms de 0,5 para 1, não apresentou benefícios para a
durabilidade das amostras, apenas agregou maior custo para a produção destes
sistemas.
Com o incremento de sílica o pH da solução reduziu e a dissolução do
precursor foi comprometida, acarretando em falhas no processo de
geopolimerização e reduzindo a durabilidade das amostras Geo 20-1, quando
comparadas à Geo 20-05. A Figura 14 mostra a superfície da amostra Geo 20-1, na
qual pode-se notar parte da camada corroída que desplacou-se da matriz intacta.
Figura 14 – Geopolímero traço G 20-1 após a imersão em ácido láctico por sete dias.
Fonte: O autor (2019).
Os resultados do presente estudo mostram que o aumento na quantidade de
álcalis de 15% para 20% acarretou em redução na profundidade de corrosão em
63
ambas as amostras. A redução foi de aproximadamente 80% na profundidade de
corrosão, decorrente de possível maior dissolução do metacaulim na solução
ativadora, que promoveu a formação de maior quantidade de produtos de reação,
reduzindo as quantidades de alumínio e sílica não dissolvidas no sistema. Essa
redução minimiza a quantidade de poros na matriz e reduz a profundidade de
corrosão, conforme explicam Duxson e Provis (2008) e Provis e Bernal (2014).
Apesar dos resultados obtidos não terem apontado uma diferença significativa
entre a degradação dos geopolímeros expostos ao ácido acético e ao ácido láctico,
devido ao fator dissociação, é possível que o ácido láctico cause maior deterioração,
uma vez que a dissociação do ácido acético é mais fraca, pKa = 4,8, enquanto a do
ácido láctico é mais forte, pKa = 3,86. A dissociação implica no atingimento de um
pH menor para o ácido láctico em relação ao acético, causando maior deterioração.
(ATKINS; BERAN, 1992).
4.3.2 Análise macroscópica da superfície das amostras
Para complementar a análise de profundidade de corrosão realizou-se uma
medição através de imagens fotográficas das seções transversais das amostras
depois de expostas ao ácido. Para tanto, aplicou-se uma solução de fenolftaleína 1%
na superfície, a qual marcou a área com pH alcalino. Por fim, realizaram-se
medições das áreas corroídas, neutralizadas e intactas que foram identificadas em
cada imagem (Figura 15).
64
Figura 15 – Aspecto da superfície das amostras após a imersão em ácido acético, sem tratamento superficial (A), e após o polimento e aspersão da solução de fenolftaleína (B).
Fonte: O autor (2019).
65
Na Figura 15 verifica-se que a superfície da amostra Geo 15-05, apesar de
parecer intacta na imagem, apresentou uma textura bastante pulverulenta e com a
incidência de algumas fissuras que, provavelmente, auxiliaram a solução ácida a
penetrar na amostra. Devido a isso, apesar de parecer intacta, verificou-se uma área
corroída 10,60% maior que na amostra Geo 15-1, que continha a mesma
porcentagem de sódio, porém aumentou-se o Ms de 0,5 para 1.
Com o incremento de sílica solúvel, as amostras do traço Geo 15-1
apresentaram uma tonalidade mais fraca ao aspergir fenolftaleína, o que indica que
houve redução do pH da amostra. No entanto, verifica-se uma redução da camada
corroída (Figura 16), o que corrobora com os demais resultados, que evidenciaram
que o incremento de sílica para essa amostra proporcionou maior quantidade de
reações de geopolimerização e acarretou a melhoria da durabilidade, o que está de
acordo com o estudo de Duxson, Fernánez-Jiménez et al. (2007).
Figura 16 – Áreas corroídas, neutralizadas e intactas verificadas nas amostras imersas em ácido acético.
Fonte: O autor (2019)
Além da questão da coloração proveniente da avaliação da alteração do pH, a
superfície da amostra Geo 15-1 apresentou uma maior quantidade de poros visíveis,
o que pode ser explicado pela redução na concentração de álcalis na solução de
ativação. Duxson, Fernández-Jiménez et al. (2007) comentam que, uma vez mantida
a quantidade de álcalis constante e aumentado o teor de sílica, há uma alteração no
processo de geopolimerização, em decorrência da redução do pH da solução, e
66
enfraquecimento do poder de dissolução da solução ativadora e, por consequência,
há surgimento de poros na superfície da amostra.
As imagens evidenciam que a amostra Geo 20-05 mostra-se mais íntegra,
comparativamente às demais, após o ataque ácido. Não foram observadas fissuras
na superfície, bem como não houve lascamentos. Em relação à avaliação do pH, foi
percebido um tom mais esmaecido comparativamente às demais amostras. Foi
medida uma área corroída de 1,45 cm2 neste traço. Contudo, a camada corroída
mostrou-se pouco quebradiça e, apesar da mudança de tonalidade, ainda
apresentava certa resistência, o que provavelmente auxiliou como barreira para
impedir que a solução ácida penetrasse para dentro da matriz. (LLOYD; PROVIS;
VAN DEVENTER, 2012).
Em contrapartida, para o traço Geo 20-1 constatou-se uma superfície
bastante fissurada. Mellado et al. (2017) explicam que, possivelmente, a maior
quantidade de sílica solúvel presente na solução ativadora torna a amostra menos
deformável, ficando suscetível à fissuração superficial. Em decorrência disso, o
ácido acético penetrou para o interior da amostra, resultando em uma camada
corroída de 1,57 cm2.
Se se comparar os sistemas com 20% de álcalis, pode-se perceber a variação
no Ms de 0,5 para 1 causou um aumento de 7,64% aproximadamente na camada
corroída. Ademais, tal camada mostrou-se quebradiça e frágil, se comparada à
amostra Geo 20-05, que continha menor quantidade de silicato solúvel. Entretanto,
devido à grande quantidade de solução ativadora no sistema Geo 20-1, a solução de
fenolftaleína marcou a amostra de forma mais intensa, o que indica um elevado pH.
Se se comparar os dois traços nota-se que apesar de apresentar uma camada
corroída maior, o traço Geo 20-1 apresentou uma camada intacta 6,30% superior ao
traço Geo 20-05.
Através da Figura 17 é possível verificar que o traço Geo 20-1, que continha
maior quantidade de sílica solúvel, apresentou uma camada rígida no interior da
amostra, dificultando a penetração da solução ácida para camadas mais profundas
da amostra. A camada é possivelmente formada por silicatos, que são provenientes
da maior quantidade de sílica solúvel na solução de ativação.
67
Figura 17 – Camada rígida verificada após o polimento da seção da amostra Geo 20-1.
Fonte: O autor (2019).
Pode-se inferir que o excesso de sílica reduz o poder de ativação da solução
ativadora, causando danos à durabilidade na amostra. (PROVIS; BERNAL, 2014).
Contudo, em alguns casos, devido à grande quantidade de sílica na mistura, pode
formar-se uma camada rica em sílica em seu interior. O que em alguns casos pode
ser benéfico para a durabilidade dos geopolímeros.
Na Figura 17 é possível identificar que a camada corroída se propagou até a
camada indicada pela seta. Observa-se que, a partir da camada corroída, tem-se pH
neutralizado, mas a camada permanece íntegra e, ao centro, nota-se a camada
intacta com alteração de cor obtida pela aspersão de fenolftaleína, ou seja, esta
região possui pH alcalino, mesmo após a imersão em solução de ácido acético por
sete dias. (BERNAL et al., 2011; SHI; STEGEMANN, 2000).
Para complementar esta análise, a Figura 18 apresenta as amostras imersas
em ácido láctico, nas quais realizou-se o mesmo tratamento superficial e
posteriormente as análises.
68
Figura 18 – Aspecto das amostras após a imersão em ácido láctico, sem tratamento superficial (A), e após o polimento e aspersão da solução de fenolftaleína (B).
Fonte: O autor (2019).
69
Após a imersão em ácido láctico as amostras apresentaram aspectos
superficiais de deterioração mais intensos que as amostras imersas em ácido
acético. Todavia, para este ácido, as amostras não apresentaram divergência na
coloração que permitisse diferenciar com clareza a camada corroída da neutralizada.
Devido a isso, as medições consideraram uma camada intacta e uma camada
corroída/neutralizada.
No entanto, é possível que mesmo não apresentando sinais físicos de
degradação, a camada superficial esteja degradada pelo ácido. Mellado et al. (2017)
sugerem que o ataque ácido provoca uma lixiviação dos íons de sílica e sódio da
superfície, que são parcialmente substituídos por íons da solução ácida. Por isso,
em alguns casos, a camada superficial pode estar aparentemente intacta e mesmo
assim apresentar um elevado grau de deterioração na matriz geopolimérica. A
Figura 19 mostra os resultados obtidos através da quantificação das áreas das
imagens. Observa-se que quando se compara os sistemas com 15% nota-se que
área intacta foi 29,27% maior para a amostra com Ms de 0,5.
Figura 19 – Áreas corroídas/neutralizadas e intactas verificadas nas amostras imersas em ácido láctico.
Fonte: O autor (2019).
Já nos sistemas com 20% de álcalis, é possível notar o inverso. A amostra
contendo mais sílica solúvel apresentou coloração mais intensa após a aspersão da
solução de fenolftaleína. Os valores medidos para área neutralizada nas amostras
Geo 20-05 e Geo 20-1 foram 4,39 e 4,69 cm2 respectivamente.
70
No caso das amostras com 20% de sódio, o aumento da quantidade de sílica
solúvel facilitou as ligações Si-Al, e proporcionou um aumento na quantidade de
produtos de reação e, com isso, obteve-se um material menos poroso, ou seja, o
ácido láctico atacou somente a camada externa das amostras. Também pode se
dizer que apesar da sílica solúvel reduzir o pH da solução de ativação, neste caso,
não visualizou-se tal ocorrência, uma vez que o traço Geo 20-05 apresentou uma
camada intacta 6,39% maior que o traço Geo 15-05.
Entretanto, é possível observar que a superfície da amostra Geo 20-1
apresentou fissuração em toda sua extensão. Conforme mencionado anteriormente,
de acordo com Mellado et al. (2017) o aumento da quantidade de sílica solúvel gera
maior quantidade de produtos de reação, tornando o material mais rígido e frágil.
Todavia, Burciaga-Díaz e Escalante-García (2012) sugerem que as fissuras
verificadas sejam provocadas pelo encolhimento do gel N-A-S-H oriundo do
processo de geopolimerização que reduz seu volume após o ataque da solução
ácida.
Contudo, tais fissuras não aumentaram a penetração do ácido láctico, uma
vez que a camada corroída/neutralizada foi 5% menor se comparada à amostra Geo
20-05. Em contrapartida, apesar de a camada corrida/neutralizada apresentar
valores superiores (5,77 cm2) o traço Geo 20-05 exibiu uma superfície mais
conservada, e, a partir disso, é possível estimar que no caso de uma exposição em
longo prazo, ou seja, períodos de vários meses ou anos, a deterioração neste traço
aconteceria de forma menos intensa que o traço Geo 20-1.
Por fim, é importante notar que nos geopolímeros mesmo a camada mais
externa, que é altamente atacada pelos ácidos, não se desintegra ou se desprende
da matriz na maioria dos casos, como comumente ocorre em materiais à base de
cimento Portland. De acordo com Shi e Stegemann (2000), isso possibilita que
mesmo não tendo mais influência na resistência mecânica, esta camada ainda
auxilie como barreira física, impedindo que o ácido penetre na matriz.
De modo geral, após a análise visual de ambos os traços após a imersão em
ácido acético e láctico, é possível afirmar que o traço que se mostrou mais estável
foi o Geo 20-05. Neste traço, a camada corroída/neutralizada sempre se manteve
entre os menores valores, quando se compara com os demais traços avaliados. E,
ainda, a sua superfície sempre se mostrou mais integra, o que indica maior
durabilidade quanto à lixiviação dos componentes químicos da matriz.
71
Não obstante, vale ressaltar que os resultados obtidos por este método de
análise podem sofrer variações. Os resultados verificados são baseados na análise
visual das tonalidades que são verificadas na superfície da amostra e podem sofrer
variações dependendo do software usado para análise. Além disso, a fenolftaleína é
um indicador de pH para valores próximos a 9,0 e os geopolímeros podem, em
alguns casos, apresentar valores de pH mais elevados. Por isso, apesar dos
resultados encontrados terem se mostrado coerentes, podem ter sofrido interferência
devido a este aspecto. Outro fator a ser levado em conta é que, durante o processo
de corte e polimento para análise, algumas amostras quebraram, o que dificultou a
análise de camada corroída, já que não é possível afirmar se a área que desplacou
estava deteriorada ou não.
72
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
5.1 Conclusões
A partir dos resultados obtidos no presente estudo, sob as condições
adotadas e ensaios escolhidos para avaliar a resistência de misturas geopoliméricas
à base de metacaulim ao ataque de soluções ácidas, foi possível concluir que:
O teor de ativador alcalino empregado influencia diretamente na
resistência à compressão dos sistemas avaliados. Isto possivelmente ocorre devido
à adição de silicatos solúveis que facilita a formação de produtos de reação
possibilitando maior desempenho mecânico. No entanto, o estudo mostrou que
existe um teor ótimo de dosagem e, ao empregar teores superiores ao teor ótimo,
pode haver prejuízo à resistência mecânica do material;
Não foi possível verificar uma diferença significativa entre os resultados
das amostras imersas em ácido acético e láctico. Possivelmente como ambos foram
dosados com a mesma concentração (10 molar), e após as medições o pH
verificado em ambos os ácidos apresentou valores próximos, os danos causados
pelos ácidos nas amostras não tiveram diferença estatística significativa;
A avaliação da perda de massa das amostras geopoliméricas devido ao
ataque ácido mostrou que, ao aumentar a quantidade de álcalis nas misturas,
propicia-se maior resistência ao ataque ácido e, consequentemente, aumenta-se a
durabilidade do material. Isso ocorre provavelmente porque quando se aumenta a
quantidade de sódio na ativação possibilita-se uma melhor dissolução do
metacaulim, resultando em maior quantidade de produtos de reação (Si-O-Al);
Ao avaliar a profundidade de corrosão das amostras geopoliméricas
verificou-se que o incremento de álcalis na solução ativadora dificultou a penetração
da solução acida de acordo com os resultados obtidos. Isso ocorre provavelmente
porque o incremento de sódio no sistema (15% para 20%) origina um geopolímero
mais denso, principalmente devido à redução da quantidade de partículas de
metacaulim não ativados no interior da amostra. O que acaba reduzindo a lixiviação
das partículas pela solução ácida;
A análise macroscópica das áreas atacadas pelo ácido nas amostras
permitiu aferir que para o precursor avaliado, o teor de ativação que se mostrou mais
efetivo continha 20% de álcalis e Ms de 0.5. Teores de sílica solúvel acima destes
73
valores, bem como teores de álcalis inferiores a 20%, se mostraram pouco benéficos
para a durabilidade das amostras avaliadas;
O emprego de excesso de sílica solúvel mostrou-se prejudicial às
características dos geopolímeros avaliados no presente estudo. Foi possível
perceber maior fissuração nas superfícies de amostras ricas em sílica solúvel, bem
como redução da durabilidade em algumas amostras. Devido a isso, sempre é
necessário avaliar as características do precursor antes de se estabelecer traços de
ativação. Uma vez que esses fatores influenciam diretamente no desempenho de
geopolímeros.
5.2 Sugestões para futuros trabalhos
Ao final desse trabalho verificou-se que alguns estudos podem contribuir para
elucidar questionamentos que vão além do que se propôs este estudo, mas que com
sua realização foram levantados e podem ser objeto de pesquisas futuras. Assim,
podem ser definidas as seguintes sugestões para futuros trabalhos:
Estudo da profundidade de corrosão de misturas geopoliméricas
atacadas por soluções ácidas empregando-se microscopia eletrônica de
varredura (MEV);
Avaliação das diferenças de composição química das amostras
submetidas ao ataque ácido em relação às não atacadas;
Análise do comportamento de diferentes precursores na composição de
misturas geopoliméricas frente ao ataque ácido.
74
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