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Avaliação da resistência mecânica em geopolímeros a base de cinza pesada mediante otimização de cura térmica
Caroline Vieira Alves (1) Muriel Scopel Froener (2) Marlon Longhi (3) Erich D. Rodríguez (4) Ana Paula Kirchheim (5)
Núcleo Orientado para Inovação da Edificação- NORIE, UFRGS, Brasil. E-mail: (1) [email protected]
(2) [email protected] (3) [email protected] (4) [email protected]
Resumo: Atualmente existe uma grande variedade de resíduos que ainda não possuem destinação que lhe agreguem valor, ou mesmo que sejam amplamente utilizados para aplicações na indústria da construção civil, criando um panorama suscetível a problemas ambientais. Neste âmbito, surge com destaque os ligantes álcali-ativados, dentre estes os geopolímeros, que por utilizarem diversos materiais provenientes de resíduos industriais na sua produção apresentam grande redução na emissão de CO2 e no consumo energético quando são comparados ao cimento Portland. Tais materiais consistem na ativação alcalina de minerais de aluminossilicatos (precursor), geralmente resíduos, sendo estes na maioria as vezes derivados de processos industriais. Os precursores mais utilizados atualmente são as escórias siderúrgicas de alto forno, cinzas volantes e metacaulim. Contudo, a disponibilidade destes materiais, tendo em vista sua quase total utilização em outras indústrias, é a principal barreira para uma adoção futura dos geopolímeros em escala industrial no setor da construção. Neste sentido, propõe-se a avaliação de cinzas pesadas geradas na região do Rio Grande do Sul como matéria prima. Porém, é de conhecimento científico que estas possuem baixa reatividade, produzindo argamassas e pastas geopoliméricas com baixa resistência mecânica. No entanto, a cura térmica pode auxiliar na aceleração das reações químicas entre a cinza pesada e ativador com consequente aumento da resistência dos compostos. Com base nisto, o objetivo do trabalho é avaliar a influência da cura em pastas e das diferentes proporções de ligantes e água em argamassas frente sua resistência à compressão. Os resultados obtidos demonstraram que as pastas com cura térmica durante o período de dois dias, apresentaram maiores resistências mecânicas (incremento de aproximadamente 27%, comparada a cura ambiente). Já as argamassas de menor relação água/ligante apresentaram maiores resistências.
Palavras-chave: Geopolímero; Valorização de Resíduo; Cinza pesada; Argamassa.
Abstract: Nowadays, there exist a wide number of industrial wastes that area landfilled without commercial value or any potential re-use or valorization in the construction industry. In this sense, there exist a strong interests in the development of non-convention al binders, such as the alkali-activated cements, which can be considered as a feasible pathway to the valorization of different industrial wastes. If the alkali-activated cement is produced under optimal conditions, the material might exhibits similar or even higher mechanical performance, improved durability when is compared to traditional Portland cement. The geopolymers is based on aluminosilicate mineral (precursor)
which is chemically activated by an alkaline solution (activator). The most used precursor nowadays are the slag steel blast furnace, fly ash and metakaolin. However, the availability of these materials is the main barrier to future adoption of geopolymers at industrial scale due to their high demand for other industrial applications. This paper shows the use of a bottom ash produced in the Rio Grande do Sul as raw material for the production of alkali-activated type cement. However, it is well known that the bottom ash has a low reactivity and geopolymers with low mechanical strength are produced. The use of thermal curing could improve the mechanical performance of the materials as a consequence of a higher kinetic of the chemical reactions between the precursor and the alkali activator. The aim of this study was the assessment of different thermal curing conditions applied in bottoms ash-based geopolymers and its effect under the mechanical performance. Complementary, the effect of binder: aggregate ratio in the mortars was also assessed. The preliminary results showed that geopolymers with thermal curing at 80 ºC during two days achieved higher compressive strength (approximately >27% when is compared to a curing under environmental conditions). On the other hand, as the water/binder is lower, higher mechanical performance is reported.
Keywords: Geopolymer; Waste valorization; Bottom ash; Mortar.
1. INTRODUÇÃO
O carvão é o mineral fóssil mais abundante, e de baixo custo, utilizado para a geração de energia elétrica, sendo responsável por 40% da produção mundial de eletricidade (WORLD COAL ASSOCIATION, 2014). No Rio Grande do Sul, 25,6% da geração de energia provém de centrais termoelétricas, sendo um número elevado quando comparado ao do Brasil, que é de apenas 2,9% segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica. Com base em todas as usinas termoelétricas do mundo, a poluição ambiental gerada pelo carvão é citada como uma das principais fontes de degradação do ambiente pela consequente contaminação da terra, solo, água e ar (ASOKAN, SAXENA & ASOLEKAR, 2005).
A queima do carvão gera grandes quantidades de cinza, sendo 75 a 80% cinzas volantes (CV), que já são utilizadas em larga escala pela indústria do cimento. O restante é cinza pesada (ou as vezes referenciada como cinza de fundo), que, embora existam trabalhos propondo seu uso, não há ainda nenhuma utilização em larga escala, sendo depositadas, na maioria das vezes, em bacias de sedimentação, podendo gerar problemas ambientais. Somado a isso, vem a preocupação com as altíssimas emissões de CO2 da indústria do cimento, já que o concreto é considerado o segundo material mais consumido do mundo, perdendo apenas para a água.
É neste panorama, então, que surge a proposta do trabalho: utilização de um resíduo altamente disponível na região, a cinza pesada, para produção de cimentos alternativos conhecidos como geopolímeros. De forma genérica o termo geopolímero refere-se ao produto gerado quando aluminossilicatos amorfos, geralmente provenientes de resíduos, são ativados por meio de uma solução alcalina, fazendo surgir um material com características cimentantes (DUXSON et al., 2007b), os quais quando comparados ao cimento Portland convencional apresentam grande reudução na emissão de CO2 e no consumo energético.
Porém, é de conhecimento científico que estas cinzas possuem baixa reatividade e consequêntemente podem sintetizar produtos com resistências mecânicas baixas quando comparadas a geopolímeros produzidos com cinza volante, por exemplo. Conforme demonstrado no trabalho de Froener (2016)
para uma mesma dosagem, porém condições de cura diferentes, uma média de 18,76 MPa aos 28 dias foi obtida em pastas geopoliméricas. Quando reproduzido um traço similar porém agregado areia a mistura e produzindo argamassas geopoliméricas, a autora obteve aos 28 dias uma média de resistência mecânica de 6,76 MPa. Logo, se mostra necessário estudar formas de aumentar a resistência mecânica de pastas e argamassas. Geralmente para atingir tal objetivo é necessário um proporcionamento otimizado frente aos seguintes itens: concentração de ativador, presença e conteúdo de silicatos solúveis, relação água/ligante e condições de cura.
Desta forma, mostra-se a grande importância deste trabalho uma vez que o mesmo propõe a utilização de resíduos em materiais cimentantes, visando diminuir a poluição causada pela indústria carbonífera e pela construção civil, aliando novas tecnologias à preocupação ambiental.
2. METODOLOGIA
2.1. Materiais
Como precursor do geopolímero, foi utilizada cinza pesada da queima do carvão, proveniente do Polo Petroquímico de Triunfo - RS, a qual foi previamente seca, peneirada e moída. Após este beneficiamento, a cinza foi caracterizada por massa específica (2,34 g/cm³, conforme NBR NM 23–2001) e massa unitária (0,86 g/cm³, conforme NBR NM 45–2006). Com base nos resultados de florescência de raios X (Shimadzu, modelo XRF1800), a cinza estava constituída principalmente por SiO2 (62,68%), Al2O3 (18,80%) e CaO (3,47). A caracterização da cinza mediante difração de raios X (PanAlytical X´Pert PW3373/00 – Cu k) mostrou que a composição mineralógica da cinza era quartzo, mulita e hematita.
Já como ativadores, foram utilizados hidróxido de sódio (NaOH 99%) e silicato de sódio comercial (constituído por 32,59% de SiO2, 15,01% de Na2O e 52,7% de H2O), juntamente com água, formando uma solução altamente alcalina, possibilitando a formação de pastas geopoliméricas. Para a produção das argamassas, foi adicionada areia comercial proveniente do Rio Jacuí – RS (módulo de finura 2,36 e massa específica de 2,64 g/cm3).
2.2. Preparação das amostras
As pastas geopoliméricas foram moldadas com a seguinte proporção entre materiais: 300 g de cinza pesada, 32,2 g de NaOH, 133,6 g de silicato de sódio e 68 g de água, obtendo uma relação água/ligante de 0,35. Estas proporções dos materiais, permitiu obter um sistema ativado na porcentagem de 20% de Na2O usando uma solução ativante com um módulo Ms (relação molar SiO2/Na2O) de 1,0. Para as pastas, foram moldados corpos de prova cúbicos de 20 mm de aresta, sendo um traço, repetido 11 vezes para que se pudesse analisar as diferentes condições de cura perante resistência mecânica à compressão. Para cada ensaio à compressão de cada traço, foram ensaiados 5 corpos de prova.
Para as argamassas, foram moldados corpos de prova cilíndricos (100 mm de altura ´ 50 mm de diâmetro), onde estipulou-se quatro diferentes traços, variando a relação precursor/areia e um traço
com baixa relação água/ligante (0,40). Para obtenção do valor médio de resistência a compressão, foram rompidos 3 corpos de prova de cada traço.
O programa experimental desenvolvido esta baseado no fluxograma da figura 1.
FIGURA 1 – Programa experimental
2.3. Programa experimental para as pastas
Este traço, gerou onze diferentes combinações de condições de cura, conforme tabela1 onde os tons escuros significam cura úmida e os tons claros cura seca (HR<25%) e, o nome dos traços referem-se à: pasta – geopolímero -temperatura de cura - #dias de cura úmida + #dias de cura seca. Posteriormente, as pastas foram ensaiadas à compressão, conforme as idades indicadas na tabela.
TABELA 1 - Tabela de cura das pastas e idades de resistência avaliadas
2.4. Programaexperimentalparaasargamassas
Moldou-se argamassas geopoliméricas de quatro diferentes traços, de acordo com os dados apresentados na tabela 2, os quais identifiaram argamassa – geopolímero – precursor/areia e o último com baixa relação água ligante. Os diferentes traços foram, ensaiados quanto a resistência à compressão nas idades de 3, 7, 28 e 90 dias.
TABELA 2 - Tabela das argamassas geopoliméricas produzidas
Traço a/l CP (g)
NaOH (g)
SS (g)
H2O (g)
Areia (g)
Arga-GEO-1:3 0,45 550 65,5 301,4 138,0 1650 Arga-GEO-1:2,5 0,45 700 75,1 311,8 252,2 1750 Arga-GEO-1:2 0,45 800 85,8 356,3 288,2 1600
Arga-GEO-1:3-baixa a/l 0,40 550 59,0 245,0 161,9 1650
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados obtidos para o ensaio de resistência à compressão nas pastas geopoliméricas estão ilustrados na figura 2. As pastas curadas a temperatura ambiente foram rompidas aos 58 dias (idade em que foi possível observar que as mesmas estavam suficientemente adequadas para a realização do ensaio) com um resultado médio de 21,5 MPa, mostrado na linha preta que sobrepõe o gráfico.
Os resultados apesentados evidenciam que tanto o aumento da temperatura quanto o aumento do tempo de cura térmica, influenciaram positivamente no ganho de resistência mecânica. Da mesma forma, a variação entre os métodos de cura, tempos diferentes entre cura seca e cura úmida, também apresentaram ser influentes nos resultados. Uma vez que, a cura atua como um importante fator na síntese dos geopolímeros, podendo auxiliar na velocidade das reações e consequentemente no incremento de resistência dos produtos formados (RODRIGUEZ, 2012), tais resultados se mostraram coerentes ao conhecimento teórico.
FIGURA 2- Resultados de resistência média à compressão das pastas
Os resultados obtidos para as argamassas estão dispostos na figura 3, onde nota-se que as resistências são inferiores às das pastas, assim como encontrado no trabalho realizado por Froener (2016). De maneira geral percebe-se que a variação da relação precursor/areia não gerou significativas mudanças nas resistências à compressão destes materiais. Porém, fica evidenciado na figura que a baixa relação água/ligante é o parâmetro avaliado que gerou maior aumento na resistência. De acordo com Boca Santa (2012), elevados teores de água na mistura formam cristais maiores na microestrutura de materiais cimentícios, o que pode implicar na menor resistência mecânica do material sintetizado. Todavia, a água é fundamental para possibilitar trabalhabilidade e homogeneidade das misturas, podendo assim prejudicar o desempenho dos produtos formados se utilizada em teores muito reduzidos.
FIGURA 3- Resultados de resistência média à compressão das argamassas
4. CONCLUSÕES
Este trabalho propôs a utilização de um resíduo, altamente disponível na região sul do País, para a produção de geopolímeros. Foi utilizada a cinza pesada proveniente da queima do carvão para produção energética. Porém, como esta cinza possui baixa reatividade, foi evidenciado que a cura térmica pode auxiliar na aceleração das reações entre precursor e ativador com consequente aumento da resistência dos compostos formados. Os resultados demonstram que as pastas com cura térmica mais elevada (80 °C) e período mais longo de cura (dois dias), apresentaram maior resistência mecânica (média de 27,30 MPa aos 28 dias), indicando um incremento de aproximadamente 27% na média, quando comparada com corpos de prova referencia deixados em cura ambiente. Já as argamassas com menor relação água/ligante (0,40) foram as que apresentaram maior resistência mecânica (média de 16,8 Mpa aos 28 dias).
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEEL. Atlas de Energia Elétrica do Brasil. 2008.
ASOKAN, P.; SAXENA, M.; ASOLEKAR, S. R. Coal combustion residues - Environmental implications and recycling potentials. Resources, Conservation and Recycling, v. 43, p. 239–262, 2005.
BOCA SANTA, R. A. Desenvolvimento de geopolímeros a partir de cinzas pesadas oriundas da quima do carvão mineral e metacaulim. 2012. 135 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2012.
DUXSON,P.etal.Theroleofinorganicpolymertechnologyinthedevelopmentof“greenconcrete”.
CementandConcreteResearch,v.37,n.12,p.1590–1597,dez.2007.
FROENER, M. S. Valorização de cinza de fundo por meio da síntese de ligantes geopoliméricos: otimização de traços em pastas e avaliação dos sistemas em argamassas. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2016.
RODRÍGUEZ, E. D. Efecto de la incorporación de materiales basados en sílice sobre las propiedades de matrices de cemento pórtland e activadas alcalinamente. Universitat Politécnica de Valéncia, 2012.
WORLD COAL ASSOCIATION. Coal Facts 2014. v. 44, n. 0, p. 149–151, 2014.
