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DETERMINAÇÃO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS, QUÍMICAS E MECÂNICAS DE
ARGAMASSAS À BASE DE METACAULIM ATIVADO POR NaOH, KOH e NaOH +
KOH
ALEXANDRE MAGNO ALVES DE OLIVEIRA
UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE FLUMINENSE DARCY RIBEIRO – UENF
CAMPOS DOS GOYTACAZES – RJ
FEVEREIRO – 2018
ii
DETERMINAÇÃO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS, QUÍMICAS E MECÂNICAS DE
ARGAMASSAS À BASE DE METACAULIM ATIVADO POR NaOH, KOH e NaOH +
KOH
ALEXANDRE MAGNO ALVES DE OLIVEIRA
“Dissertação apresentada ao
PPGEC – Programa de Pós-Graduação
em Engenharia Civil da Universidade
Estadual do Norte Fluminense Darcy
Ribeiro, como parte das exigências para
obtenção do título de Mestre em
Engenharia Civil”.
Orientador: Prof. D. Sc. Dylmar Penteado Dias
CAMPOS DOS GOYTACAZES – RJ
FEVEREIRO – 2018
iii
DETERMINAÇÃO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS, QUÍMICAS E MECÂNICAS DE
ARGAMASSAS À BASE DE METACAULIM ATIVADO POR NaOH, KOH e NaOH +
KOH
ALEXANDRE MAGNO ALVES DE OLIVEIRA
“Dissertação apresentada ao
PPGEC – Programa de Pós-Graduação
em Engenharia Civil da Universidade
Estadual do Norte Fluminense Darcy
Ribeiro, como parte das exigências para
obtenção do título de Mestre em
Engenharia Civil”.
Aprovada em 28 de fevereiro de 2018.
Comissão examinadora:
______________________________________________________________
Prof. Khosrow Ghavami, Ph.D. - PUC-RIO.
______________________________________________________________
Prof. Fernando Cesar Coelho França, D. Sc. - UNESA.
______________________________________________________________
Prof. Jonas Alexandre, D. Sc. - LECIV - UENF.
______________________________________________________________
Prof. Dylmar Penteado Dias, D. Sc. - LECIV - UENF.
Orientador
iv
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradeço а Deus, pois sou humilde o bastante para aceitar que
sem ele nada disso seria possível.
Agradeço à minha família, pоr acreditarem em minha capacidade. Mãe, sеυ
cuidado, carinho е dedicação em vários momentos me deu а esperança pаrа seguir.
Pai, seu apoio e incentivo me deram forças e a certeza dе qυе não estou só.
Agradeço carinhosamente à minha namorada, Juliana, que por diversas vezes
foi obrigada a conviver com o meu mau humor, fruto das dificuldades do curso, mas
que jamais saiu do meu lado, me ajudando e me apoiando, e que com apenas um
sorriso renovava todas as minhas forças.
Agradeço também а todos os professores qυе mе acompanharam durante а
pós-graduação e puderam compartilhar um pouco de seu conhecimento,
especialmente ао Prof. Dylmar, cuja orientação foi essencial para a realização deste
trabalho.
Agradeço ainda a todos os colegas e ex-colegas de curso, que contribuíram
muito para que essa caminhada fosse menos árdua.
Agradeço especialmente ao meu grande amigo Fernando, cujo apoio, ajuda,
amizade e guarida foram imprescindíveis para conclusão deste trabalho.
Agradeço aos amigos Milton, Vanuzia e Jocimar, técnicos do LECIV/UENF,
pela ajuda e orientação na realização de alguns ensaios.
Enfim, agradeço a todos que aqui não estão citados, mas que de certa forma
contribuíram para essa vitória.
v
SUMÁRIO
SUMÁRIO.................................................................................................................... v
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................ viii
LISTA DE TABELAS ................................................................................................. xii
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS e SÍMBOLOS ............................................... xiv
RESUMO................................................................................................................. xvii
ABSTRACT ............................................................................................................. xviii
1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 19
1.1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS ............................................................................. 19
1.2. OBJETIVOS ....................................................................................................... 22
1.2.1. Objetivo geral .............................................................................................. 22
1.2.2. Objetivos específicos .................................................................................. 23
1.3. JUSTIFICATIVA ................................................................................................. 23
1.4. ESTRUTURA DO TRABALHO ........................................................................... 24
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 25
2.1. MATERIAIS ÁLCALI-ATIVADOS E GEOPOLÍMEROS ...................................... 25
2.1.1. Geopolímeros .............................................................................................. 27
2.1.2. Precursores ................................................................................................. 28
2.1.3. Solução ativadora alcalina .......................................................................... 30
2.1.4. Geopolimerização ....................................................................................... 37
2.1.5. Parâmetros importantes na geopolimerização ............................................ 39
2.1.6. Aplicações dos geopolímeros ..................................................................... 45
2.2. ARGAMASSAS .................................................................................................. 47
2.2.1. Tipos de argamassas .................................................................................. 48
3. PROGRAMA EXPERIMENTAL ............................................................................. 50
3.1. MATERIAIS ........................................................................................................ 50
vi
3.1.1. Metacaulim (MC) ......................................................................................... 50
3.1.2. Hidróxido de sódio ...................................................................................... 55
3.1.3. Hidróxido de potássio .................................................................................. 56
3.1.4. Água ............................................................................................................ 56
3.1.5. Agregado miúdo .......................................................................................... 56
3.2. MÉTODOS ......................................................................................................... 57
3.2.1. Estudo das argamassas .............................................................................. 57
3.2.2. Caracterização física das argamassas........................................................ 64
3.2.3. Caracterização química das argamassas ................................................... 68
3.2.4. Estudos adicionais da argamassa geopolimérica ....................................... 68
3.2.5. Estudo da recalcinação do metacaulim ....................................................... 70
3.2.6. Determinação da resistência à compressão em função da idade ............... 71
3.2.7. Classificação da argamassa geopolimérica ................................................ 72
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................. 83
4.1. SOLUÇÃO ATIVADORA ALCALINA .................................................................. 83
4.1.1. pH da solução ............................................................................................. 83
4.1.2. Viscosidade da solução............................................................................... 85
4.2. ESTUDO DAS COMPOSIÇÕES ........................................................................ 86
4.2.1. Trabalhabilidade .......................................................................................... 86
4.2.2. Eflorescência ............................................................................................... 92
4.2.3. Resistência à compressão .......................................................................... 96
4.2.4. Composição selecionada .......................................................................... 101
4.3. CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA DA MELHOR SÉRIE ...................................... 102
4.4. RESULTADOS DOS ESTUDOS ADICIONAIS ................................................ 103
4.4.1. Cura úmida, térmica e água da rede de abastecimento ............................ 104
4.4.2. Areia normal .............................................................................................. 107
4.5. RECALCINAÇÃO DO METACAULIM .............................................................. 108
vii
4.6. RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO EM FUNÇÃO DA IDADE ........................... 111
4.7. CLASSIFICAÇÃO DA ARGAMASSA GEOPOLIMÉRICA ................................ 113
4.7.1. Densidade de massa aparente no estado fresco ...................................... 113
4.7.2. Retenção de água ..................................................................................... 114
4.7.3. Densidade de massa aparente no estado endurecido .............................. 115
4.7.4. Absorção de água por capilaridade e coeficiente de capilaridade ............ 116
4.7.5. Resistência potencial de aderência à tração ............................................. 116
4.7.6. Resistência à tração na flexão e resistência à compressão ...................... 117
4.7.7. Comparação com outras argamassas ...................................................... 119
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................ 122
5.1. CONCLUSÕES ................................................................................................ 122
5.2. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ............................................... 125
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................ 126
viii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 - Comparação da emissão de CO2 de um concreto geopolimérico e um
concreto à base de cimento Portland (TURNER e COLLINS, 2013). ........................ 21
Figura 1.2 - Comparação entre o quantitativo de material utilizado e a emissão de CO2
de uma argamassa geopolimérica (WEIL et al., 2009). ............................................. 22
Figura 2.1 - Esquerda: estrutura unidimensional dos silicatos de cálcio; Direita:
estrutura 3D dos geopolímeros (WEERDT, 2011). ................................................... 26
Figura 2.2 - Processo de produção do geopolímero (WEERDT, 2011). .................... 27
Figura 2.3 - Esquema das estruturas moleculares de polissialatos (DAVIDOVITS,
2002). ........................................................................................................................ 28
Figura 2.4 - Diagrama ternário do metacaulim (LOTHENBACH et al., 2011). ........... 30
Figura 2.5 - Ensaios reológicos do Slump Flow e T50-Slump Flow em concretos
geopoliméricos (MEMON et al., 2013). ..................................................................... 34
Figura 2.6 - Ensaios reológicos do Funil-V e Caixa-L em concretos geopoliméricos
(MEMON et al., 2013). .............................................................................................. 34
Figura 2.7 - Ensaio reológico do Anel-J em concretos geopoliméricos (MEMON et al.,
2013). ........................................................................................................................ 35
Figura 2.8 - Solubilidade do SiO2 e Al2O3 do metacaulim com o aumento do pH (PHAIR
e DEVENTER, 2001). ................................................................................................ 36
Figura 2.9 - Aumento do pH dos hidróxidos com o aumento da concentração (PHAIR
e DEVENTER, 2001). ................................................................................................ 36
Figura 2.10 - Formação do gel de N-A-S-H (SHI et al., 2011). .................................. 39
Figura 2.11 - Representação 3D do gel de N-A-S-H (SHI et al., 2011). .................... 39
Figura 2.12 - Resistência à compressão de geopolímeros em função da relação molar
SiO2/Al2O3 (OZER e SOYER-UZUN, 2015)............................................................... 40
Figura 2.13 - Resistência à compressão de geopolímeros em função da relação molar
SiO2/Al2O3 (DUXSON et al., 2007). ........................................................................... 41
Figura 2.14 - Resistência à compressão aos 7 dias em função da relação
ativador/precursor de argamassas ativadas por KOH (adaptado de RANGEL, 2017).
.................................................................................................................................. 42
Figura 2.15 - Resistência à compressão aos 7 dias em função da relação
ativador/precursor de argamassas ativadas por NaOH (adaptado de RANGEL, 2017).
.................................................................................................................................. 42
ix
Figura 2.16 - Resistência à compressão de geopolímeros em função da relação
líquido/sólido (adaptado de LIN et al., 2012). ............................................................ 44
Figura 2.17 - Eflorescência em geopolímeros à base de argila calcinada: (A) 0 dias e;
(B) 7 dias (ZHANG et al., 2017). ............................................................................... 45
Figura 2.18 - Quadro geral de aplicações (DAVIDOVITS, 1999 apud PINTO 2006). 46
Figura 2.19 - Pavimentação do aeroporto de Brisbane com concreto geopolimérico1.
.................................................................................................................................. 47
Figura 3.1 - Etapas do trabalho experimental............................................................ 50
Figura 3.2 - Difratometria de raios X do metacaulim. ................................................ 52
Figura 3.3 - ATD e ATG do MC. ................................................................................ 53
Figura 3.4 - Distribuição granulométrica a laser do metacaulim. ............................... 54
Figura 3.5 - Granulometria da areia de rio lavada. .................................................... 57
Figura 3.6 - Constituintes da argamassa geopolimérica. .......................................... 58
Figura 3.7 - Molaridade de soluções alcalinas de NaOH e KOH a 20°C (HAYNES,
2015). ........................................................................................................................ 61
Figura 3.8 - Viscosidade de soluções alcalinas de NaOH e KOH a 20°C (HAYNES,
2015). ........................................................................................................................ 62
Figura 3.9 - Argamassadeira. .................................................................................... 63
Figura 3.10 - Mesa de adensamento. ........................................................................ 65
Figura 3.11 - Ensaio do método do squeeze-flow. .................................................... 65
Figura 3.12 - Corpo de prova carbonatado (eflorescência). ...................................... 66
Figura 3.13 - Molde de PVC e madeira. .................................................................... 66
Figura 3.14 - Corpos de prova envoltos em filme plástico. ........................................ 67
Figura 3.15 - Prensa hidráulica ................................................................................. 67
Figura 3.16 - Estufa para cura térmica. ..................................................................... 69
Figura 3.17 - Moldes metálicos. ................................................................................ 72
Figura 3.18 - Recipiente para determinação da densidade de massa no estado fresco.
.................................................................................................................................. 73
Figura 3.19 - Equipamento para determinação da retenção de água. ...................... 75
Figura 3.20 - Corpos de prova para determinação da densidade de massa no estado
endurecido................................................................................................................. 77
Figura 3.21 - Ensaio de absorção de água por capilaridade. .................................... 78
Figura 3.22 - Pastilhas para ensaio de aderência à tração. ...................................... 79
Figura 3.23 - Ensaio de aderência à tração .............................................................. 79
x
Figura 3.24 - Determinação da resistência à tração na flexão. ................................. 81
Figura 3.25 - Determinação da resistência à compressão. ....................................... 81
Figura 4.1 - pH experimental das soluções ativadoras alcalinas a 20ºC. .................. 84
Figura 4.2 - Leitura do pH da solução ativadora alcalina (0,35/100%KOH). ............. 84
Figura 4.3 - Índice de consistência das argamassas geopoliméricas. ....................... 86
Figura 4.4 - Índice de consistência de argamassas ativadas por NaOH ou KOH
(adaptado de RANGEL, 2017). ................................................................................. 87
Figura 4.5 - Relação entre índice de consistência e relação ativador/precursor para as
argamassas com 100%NaOH e 100%KOH. ............................................................. 88
Figura 4.6 - Método do squeeze-flow para as argamassas geopoliméricas com
100%NaOH e 100%KOH. ......................................................................................... 90
Figura 4.7 - Carga máxima das argamassas geopoliméricas no método do squeeze-
flow. ........................................................................................................................... 91
Figura 4.8 - Presença de eflorescência nos corpos de prova aos 14 dias após a
moldagem.................................................................................................................. 92
Figura 4.9 - Mudança na coloração dos corpos de prova (série 0,35). ..................... 94
Figura 4.10 - DRX da eflorescência. ......................................................................... 95
Figura 4.11 - Resistência média à compressão axial das argamassas geopoliméricas
(7 e 28 dias) com relação ativador/precursor igual a 0,25. ........................................ 96
Figura 4.12 - Resistência média à compressão axial das argamassas geopoliméricas
(7 e 28 dias) com relação ativador/precursor igual a 0,30. ........................................ 97
Figura 4.13 - Resistência média à compressão axial das argamassas geopoliméricas
(7 e 28 dias) com relação ativador/precursor igual a 0,35. ........................................ 97
Figura 4.14 - Resistência média à compressão axial das argamassas geopoliméricas
(7 e 28 dias) com relação ativador/precursor igual a 0,40. ........................................ 98
Figura 4.15 - Comparação entre a resistência média à compressão axial das
argamassas geopoliméricas aos 7 dias. ................................................................... 99
Figura 4.16 - Comparação entre a resistência média à compressão axial das
argamassas geopoliméricas aos 28 dias. ................................................................. 99
Figura 4.17 - DRX das argamassas geopoliméricas para a série 0,35 ................... 102
Figura 4.18 - ATG das argamassas geopoliméricas para a série 0,35 .................... 103
Figura 4.19 - ATD das argamassas geopoliméricas para a série 0,35 .................... 103
Figura 4.20 - Resistência à média compressão axial das argamassas geopoliméricas
para cura úmida, térmica e uso de água da rede de abastecimento ....................... 105
xi
Figura 4.21 - Resistência média à compressão axial das argamassas geopoliméricas
com o uso de areia normal. ..................................................................................... 107
Figura 4.22 - DRX do metacaulim recalcinado. ....................................................... 109
Figura 4.23 - Índice de atividade pozolânica com a cal, aos 7 dias, de cada MC. .. 110
Figura 4.24 - Resistência à compressão axial com 1 dia das argamassas com MC
comercial e calcinados (ROCHA et al., 2017). ........................................................ 111
Figura 4.25 - Resistência à compressão axial da argamassa NK 1:0,105:0,245:1:0,35,
em função do tempo. ............................................................................................... 112
Figura 4.26 - Padrão de ruptura dos corpos de prova no ensaio de aderência à tração.
................................................................................................................................ 117
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 - Fluorescência de raios X do Metacaulim. .............................................. 51
Tabela 3.2 - Exigências físicas e químicas para materiais pozolânicos. ................... 55
Tabela 3.3 - Laudo de análise química do NaOH. ..................................................... 55
Tabela 3.4 - Laudo de análise química do KOH. ....................................................... 56
Tabela 3.5 - Caracterização da areia de rio lavada. .................................................. 56
Tabela 3.6 - Massa específica da areia normal brasileira. ........................................ 57
Tabela 3.7 - Composição das 20 argamassas inicialmente estudadas. .................... 60
Tabela 3.8 - Requisitos NBR 13281 (ABNT, 2005). .................................................. 72
Tabela 3.9 - Tipos de ruptura no ensaio de aderência à tração. ............................... 80
Tabela 4.1 - pH teórico das soluções com 100% de NaOH e 100% de KOH a 20ºC.
.................................................................................................................................. 83
Tabela 4.2 - Viscosidade teórica das soluções ativadoras alcalinas com 100% de
NaOH e 100% de KOH. ............................................................................................ 85
Tabela 4.3 - Interdependência entre as relações utilizadas na formulação da
argamassa................................................................................................................. 88
Tabela 4.4 - Trabalhabilidade das argamassas geopoliméricas durante a confecção
dos corpos de prova. ................................................................................................. 92
Tabela 4.5 - Custo unitário da recalcinação das amostras de MC. ......................... 109
Tabela 4.6 - Classificação e resultados do ensaio de densidade de massa aparente
no estado fresco. ..................................................................................................... 113
Tabela 4.7 - Classificação das argamassas quanto à densidade no estado fresco
(adaptado de CARASECK, 2007). .......................................................................... 114
Tabela 4.8 - Classificação e resultado da retenção de água. .................................. 114
Tabela 4.9 - Classificação e resultados do ensaio de densidade de massa aparente
no estado endurecido aos 28 dias. .......................................................................... 115
Tabela 4.10 - Classificação e resultado do coeficiente de capilaridade, e resultado do
ensaio de absorção de água por capilaridade. ........................................................ 116
Tabela 4.11 - Classificação e resultado da resistência potencial de aderência à tração.
................................................................................................................................ 117
Tabela 4.12 - Resistência à tração na flexão e resistência à compressão aos 28 dias.
................................................................................................................................ 118
xiii
Tabela 4.13 - Classificação das argamassas em função da resistência à tração na
flexão e resistência à compressão, ambas aos 28 dias. ......................................... 118
Tabela 4.14 - Classificação da composição desta dissertação e do trabalho de Rangel
(2017), de acordo com a NBR 13281 (ABNT, 2005). .............................................. 119
Tabela 4.15 - Quadro comparativo da classificação das argamassas geopoliméricas e
das argamassas industrializadas da linha Votomassa. ........................................... 120
xiv
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas.
DRX – Difração de raios X.
ATD – Análise térmica diferencial.
EDX – Espectroscopia de fluorescência de raios X.
LAMAV – Laboratório de Materiais Avançados.
LCFIS - Laboratório de Ciências Físicas.
LCQUI - Laboratório de Ciências Químicas.
LECIV – Laboratório de Engenharia Civil.
MPa – Mega Pascal.
NBR – Norma Brasileira Regulamentada.
PUC - Pontifícia Universidade Católica.
RILEM - Réunion Internationale des Laboratoires et Experts des Matériaux, systèmes
de construction et ouvrages.
ATG – Termogravimetria.
UENF – Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro.
A – Ruptura na argamassa no ensaio de determinação da resistência potencial de
aderência à tração.
𝐴 – Densidade de massa da argamassa no estado fresco, em g/cm3.
𝐴𝑖 – Área do corpo de prova no ensaio de determinação da resistência potencial de
aderência à tração, em mm2.
𝐴𝐹 – Relação água/argamassa fresca no ensaio de retenção de água.
Al – Elemento químico alumínio.
Al2O3 – Óxido de alumínio (Alumina).
𝐴𝑡 – Absorção de água por capilaridade para cada tempo, em g/cm2.
𝐶 – Coeficiente de capilaridade, em g/dm2·min1/2.
F – Falha na colagem da peça metálica, no ensaio de determinação da resistência
potencial de aderência à tração.
𝐹 – Carga aplicada verticalmente, em N.
𝐹𝑐 – Carga máxima aplicada no ensaio para determinação da resistência à
compressão axial, em N.
K – Elemento químico potássio.
xv
KOH – Hidróxido de potássio.
𝐿 – Distância entre os suportes utilizados para transferência de carga no ensaio de
tração na flexão, em mm.
𝑀 – Média das massas dos corpos de prova no ensaio de determinação da densidade
de massa aparente no estado endurecido, em g.
𝑚 – Soma das massas dos componentes anidros da argamassa no ensaio de
retenção de água, em g.
𝑚𝑎 – Massa do conjunto com argamassa no ensaio de retenção de água, em g.
𝑀𝑐 – Massa do recipiente contendo a argamassa no ensaio para determinação da
densidade de massa no estado fresco, em g.
𝑀𝑖 – Massa individual de cada componente da argamassa, inclusive a massa da água,
em g.
𝑚0 – Massa inicial do corpo de prova no ensaio de absorção de água por capilaridade,
em g.
𝑚𝑠 – Massa do conjunto após a sucção no ensaio de retenção de água, em g.
𝑚𝑡 – Massa do corpo de prova em cada tempo (10 min ou 90 min) no ensaio de
absorção de água por capilaridade, em g.
𝑀𝑣 – Massa do recipiente vazio no ensaio para determinação da densidade de massa
no estado fresco, em g.
𝑚𝑣 – Massa do conjunto vazio no ensaio de retenção de água, em g.
𝑚𝑤 – Massa total de água acrescentada à mistura no ensaio de retenção de água, em
g.
Na – Elemento químico sódio.
NaOH – Hidróxido de sódio.
𝑃𝑖 – Carga de ruptura no ensaio de determinação da resistência potencial de
aderência à tração, em N.
𝜌𝑎𝑝 – Densidade de massa aparente no estado endurecido, em kg/m3.
𝑅𝑐 – Resistência à compressão, em MPa.
𝑅𝑓 – Resistência à tração na flexão, em MPa.
𝑅𝑖 – Resistência potencial de aderência à tração, em MPa.
S – Ruptura no substrato no ensaio de determinação da resistência potencial de
aderência à tração.
S/A – Ruptura na interface substrato/argamassa no ensaio de determinação da
resistência potencial de aderência à tração.
xvi
Si – Elemento químico silício.
SiO2 – Óxido de silício.
𝑉𝑟 – Volume do recipiente no ensaio para determinação da densidade de massa no
estado fresco, em cm3.
xvii
RESUMO
Atualmente é crescente o interesse do setor da construção por alternativas ao
cimento Portland. Um dos principais motivadores dessa busca é a elevada emissão
de CO2 durante a fabricação do clínquer, principal composto desse cimento. Os
geopolímeros se apresentam como uma dessas alternativas. Esses materiais são o
resultado da ativação de uma matéria-prima (precursor) silicosa ou silicoaluminosa
por uma solução altamente alcalina, cujo resultado possui propriedades
aglomerantes. Entretanto, segundo estudos, para que o potencial ecológico do
geopolímero seja factível, este precisaria ser conformado na ausência de silicato
alcalino, um material caro e que em sua fabricação emite mais CO2 que o próprio
cimento Portland. O desenvolvimento de geopolímeros livres de silicatos alcalinos e
que possuam propriedades próximas às do cimento Portland surge como uma forma
de contribuir para o desenvolvimento de novos materiais de construção, bem como
para a produção de ligantes com baixa emissão de CO2. Assim, este trabalho se
concentrou na análise física, química e mecânica de argamassas geopoliméricas,
ativadas por soluções isentas de silicatos alcalinos. A matéria-prima utilizada foi o
metacaulim comercial (fonte de aluminossilicato) e as soluções alcalinas foram à base
de hidróxidos (NaOH, KOH e NaOH + KOH). Realizou-se um estudo inicial com 20
diferentes composições, avaliando-se a resposta (trabalhabilidade, eflorescência e
resistência à compressão) das argamassas frente à variação da relação
ativador/precursor e da composição da solução ativadora. As composições com as
maiores resistências à compressão foram submetidas a análises químicas por
difração de raios X, termogravimetria e análise térmica diferencial. Ao fim, elegeu-se
uma composição para ser submetida à novas condições de ensaio, avaliando-se a
resistência à compressão ao alterar-se as condições de cura e materiais. Além disso,
a composição selecionada foi submetida aos ensaios classificatórios da NBR 13281
(ABNT, 2005), e os resultados foram comparados aos de argamassas industrializadas
disponíveis no mercado. Ao final do estudo foi possível atestar a viabilidade
tecnológica da argamassa geopolimérica, e compreender melhor o efeito do uso dos
hidróxidos alcalinos de forma singular e também de forma conjunta.
Palavras-chave: argamassa; geopolímero; metacaulim.
xviii
ABSTRACT
The interest of the construction area by alternative materials to Portland cement
is increasing. One of the main motivators of this exploration is the high CO2 emission
during the manufacture of clinker, the main compound of this cement. Geopolymers
are presented as one of these alternatives. These materials are the result of the
activation of a siliceous or silicoaluminous precursor by a highly alkaline solution, the
result of which has binder properties. According to studies, for the geopolymer's
ecological potential to be suitable, it would need to be formed on absence of alkali
silicate; an expensive material that emits more CO2 than Portland cement on its
production. The development of alkali silicate-free geopolymers with properties close
to those of Portland cement appears as a way of contributing to the development of
new building materials as well as to the production of low-CO2 binders. Thus, this work
concentrated on the physical, chemical and mechanical analysis of geopolymeric
mortars, activated by free alkali silicate solutions. The raw material used was a
commercial metakaolin (aluminosilicate source) and alkaline solutions were
hydroxides (NaOH, KOH and NaOH + KOH). An initial study was carried out with 20
different compositions, evaluating the response (workability, efflorescence and
compressive strength) of the mortars against the variation of the activator/precursor
ratio and the composition of the activator solution. The compositions with the highest
compressive strengths were subjected to chemical analysis by X-ray diffraction,
thermogravimetry and differential thermal analysis. Therefore, a composition was
selected to be subjected to the new test conditions, and the compressive strength was
evaluated by shifting the curing conditions and raw materials. In addition, the chosen
composition was submitted to the classification tests of NBR 13281 (ABNT, 2005), and
the results were compared to commercially mortars. So, it was possible to prove the
technological feasibility of the geopolymer mortar, and to better understand the effect
of the use of the alkali hydroxides on a singular way and also together.
Keywords: mortar; geopolymer; metakaolin.
19
1. INTRODUÇÃO
1.1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Atualmente, o cimento Portland (CP) é o principal material aglomerante
utilizado na construção civil. De acordo com o Sindicato Nacional da Indústria do
Cimento (SNIC, 2016) a produção nacional nos últimos anos vem caindo, motivada
pela recessão econômica enfrentada pelo país, mas ainda está perto da marca de 40
milhões de toneladas; já a produção mundial, segundo dados da Associação Europeia
do Cimento (CEMBUREAU, 2015), é da ordem de 4 bilhões de toneladas.
A grande produção mundial de CP implica em importantes problemas
energéticos e ambientais, visto que na sintetização do clínquer (composto principal do
cimento) se atinge temperaturas superiores a 1400ºC. Ao longo de todo o processo
de fabricação deste composto liberam-se diferentes gases, sendo o mais importante
o dióxido de carbono (CO2).
De acordo com o Instituto Brasileiro do Concreto (IBRACON, 2016), a
fabricação de CP é responsável por cerca de 5% das emissões globais de CO2 de
origem antrópica.
O CO2 é o principal gás causador do efeito estufa, um fenômeno natural e
essencial para a manutenção da vida na Terra. Contudo, a emissão antrópica deste
gás vem elevando demasiadamente sua concentração na atmosfera, acarretando em
um fenômeno conhecido por aquecimento global.
Os efeitos deste aquecimento podem ser catastróficos. O quinto relatório do
Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC, 2014) estima que se as
emissões de CO2 continuarem a crescer em ritmo acelerado, a Terra sofrerá um
aumento de temperatura da ordem de 2,6 a 4,8°C ao longo deste século. Um dos
efeitos deste aumento de temperatura é o derretimento das calotas polares, que pode
causar a elevação do nível dos oceanos. Além do mais, essas alterações de
temperatura afetam todos os sistemas e ciclos naturais da Terra. Em função disso, é
importante que ocorra a imediata redução das emissões de CO2, a fim de minimizar
os impactos sobre estas e as futuras gerações.
A redução da emissão de CO2 por parte do uso do CP passa pela busca de
novos materiais que possam o substituir parcialmente ou totalmente. Uma alternativa
que já é amplamente utilizada é a substituição parcial do CP por adições minerais.
20
Segundo Cavalcanti (2006), é possível classificar as adições minerais em dois
grupos: adições predominantemente reativas (APR) e adições predominantemente
inertes (API); tal classificação se baseia na possibilidade de haver ou não função
aglomerante. Materiais pozolânicos podem ser caracterizados como APR’s, tais como
cinza volante, metacaulim (MC) e sílica ativa. Já o fíler calcário é uma adição de efeito
apenas físico, sendo caracterizada como API.
A substituição total do CP também é possível por meio do uso de cimento
geopolimérico. Esta tecnologia substitui o uso do CP por materiais com propriedades
aglomerantes. Estes materiais são o resultado da ativação de uma matéria-prima
(precursor) silicosa ou silicoaluminosa por uma solução altamente alcalina.
A vantagem ambiental do geopolímero estaria no fato dele não possuir clínquer.
Além disso, a matéria-prima pode ser um subproduto da indústria (cinza volante ou
escória de alto-forno, por exemplo) ou uma matéria-prima calcinada, como o MC. Vale
destacar que a calcinação do MC demanda temperaturas da ordem de 550ºC, menos
da metade da demandada na queima do clínquer. Mclellan et al. (2011) relataram
redução de 44 a 64% nas emissões de gases de efeito estufa do cimento
geopolimérico quando comparado ao CP.
Além da questão ambiental, a apresentação de boas propriedades mecânicas
e elevada durabilidade vêm motivando o estudo de geopolímeros (JUENGER et al.,
2011). Segundo Luukkonen et al. (2018), os geopolímeros apresentam características
de durabilidade bem superior aos sistemas convencionais à base de CP, tais como
melhor resistência aos ataques de ácidos e sulfatos, melhor resistência ao fogo, menor
retração por secagem, menor fissuração e maior resistência mecânica.
Apesar da possível superioridade dos geopolímeros frente ao CP, é importante
fazer uma ressalva no que diz respeito à questão ambiental. Ultimamente, a menor
emissão de CO2 por parte dos geopolímeros vem sendo questionada, principalmente
quando este é comparado com sistemas onde o CP é parcialmente substituído por
adições minerais (PACHECO-TORGAL, 2014). Azevedo et al. (2012) afirmaram que
é possível obter um concreto de 40 MPa à base de CP com uma menor emissão de
CO2 quando comparado a um concreto geopolimérico, apenas adicionando
quantidade adequada de cinza volante à mistura.
Turner e Collins (2013) compararam um concreto geopolimérico e um concreto
de CP (sem adições minerais) e constaram que a emissão de CO2 do concreto
geopolimérico era apenas 9% menor do que a do concreto de CP (Figura 1.1).
21
Segundo estes pesquisadores, essa pequena diferença foi devido ao uso de silicato
de sódio; que, no concreto geopolimérico, correspondeu à quase 50% das emissões
de CO2.
Figura 1.1 - Comparação da emissão de CO2 de um concreto geopolimérico e um concreto à base de cimento Portland (TURNER e COLLINS, 2013).
Segundo Turner e Collins (2013), para cada tonelada produzida de silicato de
sódio há a emissão de 1,5 toneladas de CO2 na atmosfera. Enquanto a produção de
1,0 tonelada de clínquer libera cerca de 0,815 toneladas de CO2 (GARTNER, 2004).
Weil et al. (2009) estudaram uma argamassa geopolimérica à base de cinza
volante e MC ativados por uma solução de hidróxido de sódio (NaOH) e silicato de
sódio. Neste estudo compararam o quantitativo de material utilizado e a emissão de
CO2 de cada constituinte (Figura 1.2). Segundo estes pesquisadores, a solução de
silicato de sódio contribuiu significativamente para a emissão de CO2 e dominou o
perfil ambiental da mistura. Observou-se também que no geopolímero a solução de
silicato de sódio correspondeu a cerca de 11% da massa. Já para a emissão de CO2
este percentual foi de 76%.
22
Figura 1.2 - Comparação entre o quantitativo de material utilizado e a emissão de CO2 de uma argamassa geopolimérica (WEIL et al., 2009).
A alta emissão de CO2 e o elevado custo constituem argumento crucial para a
busca de geopolímeros isentos de silicato de sódio (RANGEL, 2017). Para Pacheco-
Torgal (2014), o futuro dos geopolímeros, como alternativa menos poluente, seria por
meio do uso de misturas livres de silicatos alcalinos.
Assim, o desenvolvimento de geopolímeros livres de silicatos alcalinos e que
possuam propriedades próximas as do CP é uma maneira de contribuir para o
desenvolvimento de novos materiais de construção, bem como para a produção de
ligantes de baixa emissão de CO2.
Portanto, este estudo se concentra na análise física, química e mecânica de
argamassas geopoliméricas, ativadas por soluções alcalinas isentas de silicatos
alcalinos. A matéria-prima utilizada foi o MC (fonte de aluminossilicato) e as soluções
alcalinas foram à base de hidróxidos (NaOH, KOH e NaOH + KOH).
1.2. OBJETIVOS
1.2.1. Objetivo geral
O objetivo geral deste trabalho é o desenvolvimento e a caracterização
química, física e mecânica de argamassas geopoliméricas, cujo precursor MC é
ativado por soluções alcalinas sem silicatos.
23
1.2.2. Objetivos específicos
caracterizar física e quimicamente o MC;
avaliar a influência da composição do ativador alcalino (NaOH, KOH e NaOH +
KOH) sobre a resistência à compressão, trabalhabilidade e eflorescência das
argamassas geopoliméricas;
avaliar a influência da variação da relação ativador/precursor sobre a
resistência à compressão e eflorescência das argamassas geopoliméricas;
avaliar a influência da alteração do tipo de cura (ambiente/térmica/úmida), do
tipo de agregado miúdo (areia de rio lavada/areia normal brasileira) e do tipo
de água (destilada/rede de abastecimento) na resistência à compressão das
argamassas geopoliméricas;
avaliar a argamassa geopolimérica com base nos requisitos da NBR 13281
(ABNT, 2005).
1.3. JUSTIFICATIVA
Atualmente é crescente o interesse do setor da construção no desenvolvimento
de novos materiais, sobretudo com propriedades aglomerantes. O CP é hoje o
principal material aglomerante utilizado no mundo. Apesar de seu amplo uso, este
material apresenta alguns problemas, como a elevada liberação de CO2 durante a sua
fabricação.
O geopolímero surge como uma alternativa ao uso do CP. Este material é fruto
da reação química (geopolimerização) de uma solução alcalina com uma matéria-
prima rica em aluminossilicatos. Entretanto, para que o geopolímero realmente possa
apresentar considerável diferença, no que diz respeito à emissão de CO2, este
material não pode conter silicato alcalino em sua composição. Estudos (TURNER e
COLLINS, 2013; WEIL et al., 2009) mostraram que a fabricação de silicato de sódio é
o principal emissor de CO2 dentre os constituintes dos geopolímeros. Para Palomo et
al. (2014), o estudo de geopolímeros também se justifica na elevada durabilidade e
satisfatória resistência mecânica apresentada por estes materiais, quando
comparados ao CP.
Portanto, faz-se necessário o estudo de geopolímeros isentos de silicatos
alcalinos e, também, estudos que atestem a viabilidade tecnológica deste material.
Logo, a importância deste trabalho está no desenvolvimento de uma argamassa
24
geopolimérica viável tecnologicamente e que seja isenta de silicato alcalino,
contribuindo para o desenvolvimento sustentável.
1.4. ESTRUTURA DO TRABALHO
Esta dissertação é composta de cinco capítulos: introdução, revisão
bibliográfica, programa experimental, resultados/discussão e considerações finais.
O primeiro capítulo é a introdução, na qual se apresenta as considerações
iniciais sobre o tema, os objetivos a serem alcançados, a justificativa e a delimitação
do trabalho.
O segundo trata da revisão bibliográfica sobre geopolímeros, processo de
geopolimerização, parâmetros importantes na sua composição, materiais utilizados
na sua produção, suas propriedades e atuais aplicações. Este capítulo também trata
brevemente sobre os tipos de argamassas, com foco na definição de argamassa
geopolimérica.
No terceiro capítulo é descrito o programa experimental, contendo os materiais
e métodos laboratoriais de ensaios utilizados na fabricação e caracterização das
argamassas geopoliméricas estudadas.
O quarto capítulo é a apresentação e análise dos resultados obtidos no trabalho
experimental, em que se tem a avaliação e comparação dos resultados com a
literatura.
No quinto capítulo são apresentadas as principais conclusões obtidas no
trabalho e são propostas sugestões para a continuidade desta pesquisa.
25
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A revisão bibliográfica do presente trabalho aborda a definição e síntese dos
geopolímeros, assim como os principais parâmetros influenciadores na
geopolimerização.
2.1. MATERIAIS ÁLCALI-ATIVADOS E GEOPOLÍMEROS
O objetivo central deste trabalho foi o desenvolvimento de uma argamassa
geopolimérica. Entretanto, em relação ao termo utilizado este poderia ser argamassa
álcali-ativada. A escolha do primeiro em vez do segundo ainda é motivo de muita
discussão, tanto no meio acadêmico quanto no profissional. É comum que materiais
álcali-ativados sejam confundidos com geopolímeros. Com isso, uma breve
diferenciação entre estes foi discorrida a seguir.
Provis (2014), no relatório do comitê técnico da RILEM (TC 224-AAM), definiu
materiais álcali-ativados como um conjunto mais amplo, que engloba qualquer sistema
ligante oriundo de uma reação entre uma fonte de metal alcalino (sólido ou dissolvido)
com uma fonte de silicato sólido (precursor). Este último pode ser desde um silicato
de cálcio até aluminossilicatos como cinza volante ou escória de alto forno. A fonte
alcalina do sistema pode incluir hidróxidos alcalinos, carbonatos e sulfatos ou, ainda,
qualquer substância solúvel que possa fornecer cátions de metais alcalinos, aumentar
o pH da mistura reacional e acelerar a dissolução do precursor. Já geopolímeros são
definidos pelo relatório como um subconjunto da álcali-ativação, em que o material
precursor é quase que exclusivamente um aluminossilicato. Outra diferença abordada
é que as matérias-primas do geopolímero devem possuir um reduzido teor de cálcio.
Dessa forma, nos geopolímeros não há a formação de cadeias características de
silicatos de cálcio hidratados (C-S-H), e sim estruturas de rede pseudo-zeolítica.
Garcia-Lordeiro et al. (2015) propõem duas categorias para a ativação alcalina
baseadas no teor de cálcio dos componentes. A primeira engloba um sistema do tipo
M2O-CaO-Al2O3-SiO2-H2O (onde M é um íon de metal alcalino), ou seja, materiais
álcali-ativados cujas matérias-primas possuem cálcio. Neste caso um gel de C-A-S-H
(silicato de cálcio e alumínio hidratado) é o principal produto da reação. Este gel é
similar ao obtido na hidratação do CP, com a diferença de possuir alumínio em sua
estrutura. A segunda categoria engloba o sistema do tipo M2O-Al2O3-SiO2-H2O, ou
seja, não há cálcio. O principal produto da reação será um gel de M-A-S-H, um tipo
26
de polímero inorgânico alcalino tridimensional, muito similar às estruturas presentes
no mineral zeólita. Assim, esta última categoria seria a que caracteriza os
geopolímeros.
Werdt (2011) destaca que a ativação alcalina da escória de alto forno não pode
ser considerada um geopolímero, visto que o principal componente da escória é o
óxido de cálcio (CaO). Segundo este pesquisador, em um sistema rico em Ca2+ os
produtos formados na reação são do tipo silicato de cálcio hidratado (C-S-H). Na
estrutura da escória ativada, os tetraedros de silicatos de cálcio são encontrados em
cadeias unidimensionais em vez de estruturas 3D observadas em geopolímeros
(Figura 2.1).
Figura 2.1 - Esquerda: estrutura unidimensional dos silicatos de cálcio; Direita: estrutura 3D dos geopolímeros (WEERDT, 2011).
Weerdt (2011) destaca, também, que nos geopolímeros a água não está
quimicamente ligada na estrutura, diferentemente dos sistemas cimentícios à base de
cimento Portland, em que a água compõe a estrutura molecular dos hidratos.
Ainda, segundo Silva et al. (2015), os geopolímeros não apresentam a
formação de hidratos, como o C-S-H, para a formação da matriz e ganho de
resistência mecânica. Portanto, a ativação alcalina é uma designação mais
abrangente do que a geopolimerização, sendo esta uma parte daquela (OSÓRIO,
2006). Logo, todo geopolímero é também um material álcali-ativado.
Assim, como neste trabalho, para a confecção da argamassa o precursor sólido
(aluminossilicato) e a fonte alcalina (hidróxidos alcalinos) não possuíam cálcio, foi
adotado o termo argamassa geopolimérica em vez de argamassa álcali-ativada.
27
2.1.1. Geopolímeros
2.1.1.1. Definição
O termo “geopolímero” foi introduzido em 1979 por um pesquisador francês,
Joseph Davidovits, que o definiu como sendo um material sintético, com elevada
dureza, durabilidade e estabilidade térmica, produzido pela ativação de partículas
sólidas, ricas em sílica (SiO2) e alumina (Al2O3), por soluções alcalinas (DAVIDOVITS,
1994).
Segundo Swanepoel e Strydom (2002), a estrutura dos geopolímeros é dita
polimérica e constituída por tetraedros de SiO4 e AlO4, que estão ligados
alternadamente e compartilhando todos os átomos de oxigênio. Ao assumir um estado
de coordenação IV com o oxigénio (O2-), o silício (Si4+) e o alumínio (Al3+), originam
um desequilíbrio de carga negativa, cuja neutralidade elétrica da matriz só é garantida
pela presença de íons positivos, tais como K+, Na+, Ca2+ etc.
Para Weerdt (2011), o geopolímero é um ligante inorgânico sintetizado por uma
mistura de um aluminossilicato reativo (por exemplo, cinza volante, MC, argila
calcinada) com um ativador alcalino que contém hidróxido alcalino, silicatos,
aluminatos, carbonatos ou sulfatos, ou uma combinação destes (Figura 2.2). O
principal produto da reação é uma fase vítrea de aluminossilicato formada por
tetraedros de SiO4 e AlO4 interligados formando uma estrutura 3D.
Figura 2.2 - Processo de produção do geopolímero (WEERDT, 2011).
2.1.1.2. Nomenclatura
Em 1976, no simpósio internacional de macromoléculas, na cidade de
Estocolmo na Suécia, estabeleceu-se que a nomenclatura dos geopolímeros iria se
28
basear no termo poli(sialato), conforme Figura 2.3, na qual sialato seria uma
abreviação de silico-oxo-aluminato (Si-O-Al-O) (DAVIDOVITS, 2002). Estes materiais
são constituídos por unidades tetraédricas de Si e Al que estão ligadas pelo
compartilhamento de átomos de oxigênio.
Segundo Davidovits (1994), os poli(sialatos) possuem a seguinte fórmula
empírica:
Mn·[- (SiO2)z - AlO2]n·wH2O
onde M é um cátion, como potássio ou sódio, z é a relação molar SiO2/Al2O3, n é o
grau de policondensação e w é o grau de hidratação.
Bezerra et al. (2013) ressaltam que os geopolímeros podem ser produzidos em
três unidades diferentes de sialato (Figura 2.3), sendo a relação molar SiO2/Al2O3 o
que determina essa diferença. Tem-se polisialato (PS) quando a relação é 1:1, M+(–
Si–O–Al–O–); polisialato-siloxo (PSS) quando a relação é 2:1, M+(–Si–O–Al–O–Si–
O–); e polisialatodisiloxo (PSDS) quando a relação é 3:1, M+(–Si–O–Al–O–Si–O–Si–
O–). O M+ é um íon alcalino, sendo mais comuns o Na+ e o K+.
Figura 2.3 - Esquema das estruturas moleculares de polissialatos (DAVIDOVITS, 2002).
2.1.2. Precursores
Na ativação alcalina dá-se o nome de precursor à matéria-prima fonte de
silicato ou aluminossilicato.
Segundo Pachego-Torgal e Jalali (2009), quando o precursor é um material
com elevada porcentagem de óxido de cálcio, ao ser ativado, origina produtos de
reação do tipo C-S-H; já quando o material é composto quase que exclusivamente por
SiO2 e Al2O3, quando ativado, originam-se produtos de reação de geopolimerização.
29
Diversos aluminossilicatos, como o MC (WIANGLOR et al., 2017), resíduos
industriais, como cinza volante (FAN et al., 2018), botton ash (BOCA SANTA et al.,
2017), resíduos agroindustriais, como cinza do bagaço de cana-de-açúcar (RUKZON
et al., 2014), cinza da casca do arroz (STURM et al., 2016), pozolanas naturais, como
diatomita (BAGCI et al., 2017), entre outros, podem ser utilizados como precursores
na geopolimerização. A reatividade destes materiais dependerá da sua composição
química, composição mineralógica, morfologia e finura. Entretanto, dispor de SiO2
e/ou Al2O3 na fase amorfa é o principal requisito do precursor, para o desenvolvimento
de geopolímeros.
2.1.2.1. Metacaulim (MC)
Segundo Cunha et al. (2010), o MC é um material pozolânico de estrutura
cristalina desordenada (amorfo), cuja obtenção se dá pela calcinação de argilas e
rochas compostas essencialmente de caulinita.
A caulinita ao ser calcinada perde água por meio de um processo endotérmico
conhecido por desidroxilação. Este processo demanda elevada quantidade de energia
para remover os íons hidroxila ligados quimicamente; essa extração rompe a estrutura
cristalina da caulinita, produzindo uma metafase (SiO2 e Al2O3 amorfas de alta
reatividade) com elevada área superficial (HE, 2012). Esta metafase (amorfa) derivada
da caulinita recebe o nome de metacaulinita.
A calcinação é realizada à aproximadamente 550ºC, ocorrendo a
desidroxilação do silicato de alumínio hidratado [Al2Si2O5(OH)4], presente na caulinita,
e o transformando em metacaulinita (Al2Si2O7) (GARCIA-LODEIRO et al., 2014). A
Equação 2.1 descreve a reação de conversão da caulinita em metacaulinita.
Δ~550ºC
Al2Si2O5(OH)4→Al2Si2O7+2H2O (2.1)
O MC é um aluminossilicato amorfo com elevada reatividade, cuja composição
química e mineralógica é dependente da fonte de caulinita utilizada. Segundo Nita
(2006), o MC é composto essencialmente de SiO2 (52%) e Al2O3 (40%) na fase
amorfa. Impurezas, como quartzo, outros argilominerais e materiais orgânicos formam
os outros 8%. A Figura 2.4 apresenta um diagrama ternário (CaO-Al2O3-SiO2) com a
localização do MC.
30
Figura 2.4 - Diagrama ternário do metacaulim (LOTHENBACH et al., 2011).
Segundo Zhang et al. (2017), o MC já é utilizado como substituto parcial do CP
em concretos. Este uso é devido à sua capacidade de reagir (reação pozolânica) com
o hidróxido de cálcio Ca(OH)2 gerado durante a hidratação do CP. O produto desta
reação são silicatos de cálcio hidratado (C-S-H) similares aos da própria hidratação
do CP.
Por ser um aluminossilicato, o MC já vem sendo largamente empregado como
precursor em estudos de geopolímeros (LUUKKONEN et al., 2018). Devido à sua
estrutura desordenada (amorfa), o MC apresenta elevada reatividade ao ser ativado
por soluções alcalinas (GRANIZO et al., 2002).
Segundo Tippayasam et al. (2015), o metacaulim é um material popular na
produção de geopolímero, uma vez que pode solidificar a temperatura ambiente e
proporcionar alta resistência mecânica.
Segundo Santos (2012), apesar de existirem poucas empresas no Brasil
destinadas à fabricação do MC, o mercado brasileiro já está entre os cinco maiores
do mundo. Portanto, o MC desponta como uma boa opção para confecção de
geopolímeros.
2.1.3. Solução ativadora alcalina
A solução ativadora alcalina é uma solução aquosa, cujo soluto é o ativador
alcalino. Para aperfeiçoar a geopolimerização, alguns parâmetros devem ser
observados na formulação da solução. É possível citar os principais parâmetros como
sendo: tipo de ativador, concentração, viscosidade e pH da solução.
31
2.1.3.1. Ativadores alcalinos
Segundo Provis (2014), o ativador na mistura do geopolímero pode ser
qualquer substância que forneça cátions alcalinos, eleve o pH da mistura reacional e
facilite a dissolução da SiO2 e Al2O3 presentes no precursor.
Segundo Glukhovsky (1981 apud COSTA, 2014) os ativadores alcalinos podem
ser:
aluminatos (M2O:nAl2O3);
aluminossilicatos (M2O:Al2O3: (2 - 6) SiO2);
hidróxidos (MOH, M(OH)2);
sais de ácidos fortes (M2SO4);
sais de ácidos fracos (M2CO3, M2SO3, M3PO4, MF);
silicatos (M2O.nSiO2).
sendo M um íon alcalino do tipo: K+, Na+, Li+ ou Ca2+.
Os ativadores alcalinos podem ser monocomponentes, quando só há uma
substância química, ou bicomponentes, quando há uma combinação de substâncias.
Segundo Murta (2008), os ativadores alcalinos têm a responsabilidade de
dissolver a SiO2 e Al2O3 presentes na matéria-prima; só assim se atingirá condições
favoráveis à reação, formando sílicoaluminatos e/ou C-S-H, dependendo de sua
concentração e da composição química da matéria-prima utilizada.
O tipo de ativador utilizado tem papel preponderante no resultado obtido.
Bezerra et al. (2013) ressaltam que a escolha do ativador alcalino deve estar de
acordo com as características dos precursores de origem. Segundo Garcia-Lodeiro et
al., (2014), os ativadores utilizados em aluminossilicatos como, por exemplo, cinza
volante e MC, são hidróxidos alcalinos, silicatos alcalinos ou uma mistura destes. Pinto
(2004) atribui aos hidróxidos o papel de dissolver as matérias-primas e ao silicato o
papel de ligante, por dispor de SiO2 solubilizada para a reação. Segundo o
pesquisador, as reações ocorrem à taxa elevada quando a solução contém silicato de
sódio ou de potássio em comparação com o uso de hidróxidos alcalinos.
O uso de uma solução alcalina bicomponente (hidróxido alcalino + silicato
alcalino) pode acelerar a reação de síntese do geopolímero, explicada pela
quantidade de SiO2 solubilizada presente no silicato e disponível para reagir com o
alumínio tetraédrico do precursor geopolimérico (RODRIGUES, 2014). Entretanto, é
possível esta síntese polimérica ser conseguida apenas utilizando uma solução
32
monocomponente (hidróxido). Todavia, por meio de um processo mais lento, devido
à ausência de SiO2 solubilizada nos hidróxidos, sendo, então, importante para o
sucesso da reação a dissolução da SiO2 no estado amorfo presente no precursor
(RODRIGUES, 2014).
Logo, fica claro o importante papel desempenhado pelo ativador alcalino. Neste
trabalho, para a ativação do MC, utilizou-se como ativador alcalino soluções de NaOH,
KOH e uma mistura destes. Sendo assim, foi possível avaliar a influência do tipo de
ativador nas propriedades dos geopolímeros obtidos. Vale ressaltar que não se
encontrou na literatura, para servir como base, o uso da mistura de NaOH com KOH
como ativador alcalino em argamassas geopoliméricas à base de MC, evidenciando
o possível caráter inovador desta pesquisa.
2.1.3.2. Concentração do ativador
A concentração do ativador na solução alcalina tem papel preponderante na
síntese do geopolímero. O aumento na concentração do ativador leva a um aumento
na taxa de reação, resultando em um geopolímero menos poroso e de maior
resistência (PART et al., 2015). No entanto, existe um limite de concentração ideal.
Quando se ultrapassa este limite, ocorre um efeito inverso, pois o excesso de
hidróxido causará a precipitação do gel de aluminossilicato em um estágio muito
precoce, resultando em um geopolímero de menor resistência (PART et al., 2015).
Bezerra et al. (2013) ativaram resíduos de cerâmica vermelha com uma
solução de NaOH. Quando uma maior concentração de ativador foi utilizada, obteve-
se maiores resistências à compressão e redução da porosidade. Porém, na ativação
alcalina de cinza volante, Palomo et al. (1999 apud PACHECO-TORGAL e JALALI,
2009) afirmaram que a utilização de um ativador com 12M, em concentração molar,
originam melhores resultados do que a solução com 18M. Cheng e Chiu (2003)
utilizaram KOH (5M, 10M, 15M) para ativar misturas de escória de alto forno e MC. As
amostras ativadas com 10M apresentaram as maiores resistências à compressão e
concluíram que o aumento da concentração do ativador (15M) foi excessiva, afetando
a resistência à compressão, provavelmente devido ao excesso de íons K+ na estrutura
do geopolímero.
Komljenovic et al. (2010) estudaram o tipo e concentração do ativador alcalino
em argamassas álcali-ativadas à base de cinza volante. Os pesquisadores utilizaram
cinco tipos diferentes de ativadores, a saber: silicato de sódio, silicato de sódio +
33
NaOH, NaOH, KOH e Ca(OH)2, com várias concentrações. A condição de cura foi
idêntica para todos os corpos de prova. Concluíram que, com base nos resultados de
resistência à compressão, o ativador alcalino que possui o maior potencial de
ativação, ou seja, a maior resistência à compressão, foi o silicato de sódio, seguido
de Ca(OH)2, NaOH, NaOH + silicato de sódio e KOH. O menor potencial de ativação
do KOH em comparação com o NaOH foi devido à diferença do diâmetro iônico entre
o sódio e potássio. Concluíram também que, independentemente do tipo de ativador
utilizado, houve aumento da resistência à compressão com o aumento da
concentração do ativador.
Rangel (2017) estudou argamassas geopoliméricas à base de MC ativadas por
soluções monocomponentes de NaOH e KOH. O pesquisador concluiu que os corpos
de prova ativados com NaOH apresentaram maiores resistências à compressão e o
aumento da concentração molar do ativador também acarretou em aumento da
resistência à compressão, tanto para as argamassas ativadas com NaOH quanto para
as com KOH. Entretanto, notou que há um limite a ser observado; um aumento
excessivo da concentração do ativador desencadeia reações deletérias na
argamassa, reduzindo a resistência em ambos os casos.
Logo, apesar da importância na avaliação da concentração do ativador alcalino
na síntese do geopolímero, neste trabalho este parâmetro não foi avaliado
diretamente. Mas foi utilizado outro parâmetro, conhecido como relação
ativador/precursor. Este parâmetro foi abordado no item 2.1.5.2 e sua análise tem um
efeito similar ao da análise da concentração do ativador.
2.1.3.2. Viscosidade da solução ativadora alcalina
Segundo Rangel (2017), a viscosidade da solução alcalina é dependente do
tipo e concentração do ativador alcalino utilizado. Nos geopolímeros, a solução
ativadora alcalina pode possuir diversos componentes e concentrações molares; com
isso, diferentes viscosidades. A solução de NaOH tende a ser mais viscosa do que a
solução de KOH para concentrações semelhantes (WEERDT, 2011); o mesmo
comportamento ocorre quando se compara a solução de silicato de sódio com a de
potássio (PROVIS, 2014). Sathonsaowaphak et al. (2009) e Provis (2009) concluíram
que o aumento da concentração do ativador alcalino acarreta em aumento da
viscosidade da solução.
34
Memon et al. (2013) estudaram concretos geopoliméricos à base de cinza
volante ativados com soluções de NaOH. As amostras foram ensaiadas por meio de
slump test, T50 slump (Figura 2.5), Funil-V, Caixa-L (Figura 2.6) e Anel-J (Figura 2.7).
Em todos os ensaios a conclusão foi a mesma: o aumento da concentração do
ativador (NaOH), acarretou em aumento da viscosidade da solução alcalina. Com
isso, a maior concentração de NaOH gerou misturas mais viscosas que,
consequentemente, corroborou para a perda de fluidez e fluabilidade das amostras,
prejudicando a trabalhabilidade.
Figura 2.5 - Ensaios reológicos do Slump Flow e T50-Slump Flow em concretos geopoliméricos (MEMON et al., 2013).
Figura 2.6 - Ensaios reológicos do Funil-V e Caixa-L em concretos geopoliméricos (MEMON et al., 2013).
35
Figura 2.7 - Ensaio reológico do Anel-J em concretos geopoliméricos (MEMON et al., 2013).
Logo, a viscosidade da solução alcalina tem relação direta com a
trabalhabilidade do geopolímero, sendo esta dificultada com o aumento da
concentração do ativador.
2.1.3.3. PH da solução ativadora alcalina
O pH da solução ativadora alcalina é outro parâmetro de grande importância
na síntese de geopolímeros. Certamente o principal efeito relacionado com o aumento
do pH refere-se à maior taxa de solubilização do SiO2 e Al2O3 presentes no precursor.
Phair e Deventer (2001) determinaram a solubilidade do SiO2 e Al2O3 presentes
no MC em soluções alcalinas compostas de KOH e silicato de potássio. Os
pesquisadores observaram que o aumento do pH potencializava a dissolução dos
constituintes (Figura 2.8). Observaram também que o aumento do pH incrementava a
resistência à compressão das amostras. Este comportamento foi explicado como
sendo devido à maior disponibilidade de SiO2 e Al2O3 solubilizada para a reação de
geopolimerização. Para Garcia-Lodeiro et al. (2015), a presença de íons OH- não
apenas catalisa as reações hidrolíticas envolvidas nas várias fases de ativação
alcalina, como também aumenta o pH a valores necessários para a dissolução inicial
do precursor e para as subsequentes reações de condensação. Assim, uma solução
com baixa alcalinidade afetará as propriedades do geopolímero, visto que a força
iônica gerada por esta será insuficiente para hidrolisar satisfatoriamente a SiO2 e a
Al2O3 presentes no precursor.
36
Figura 2.8 - Solubilidade do SiO2 e Al2O3 do metacaulim com o aumento do pH (PHAIR e DEVENTER, 2001).
Segundo Khale e Chaudhary (2007), a resistência à compressão em matrizes
geopoliméricas pode aumentar mais de 5 vezes ao se usar uma solução com pH = 14
em vez de pH = 12. Outro ponto importante observado pelos pesquisadores é o
possível maior potencial de solubilização da SiO2/Al2O3 ao se usar KOH em vez de
NaOH, visto que o KOH apresenta maior alcalinidade (Figura 2.9).
Figura 2.9 - Aumento do pH dos hidróxidos com o aumento da concentração (PHAIR e DEVENTER, 2001).
Logo, é importante a observação da concentração da solução ativadora e do
pH obtido. Nota-se, também, que para maior dissolução do aluminossilicato é
necessário um pH no mínimo acima de 11 (Figura 2.8).
37
2.1.4. Geopolimerização
Davidovits (1991 apud PINTO, 2006) define geopolimerização como um
fenômeno exotérmico, resultado da policondensação de monômeros, designados por
ortossialatos. Kumar (2007) enfatiza que a reação de policondensação inorgânica, ou
seja, reação dos aluminossilicatos em condições altamente alcalinas, em que se
obtêm ligações poliméricas (Si-O-Al-O), é definida por geopolimerização ou ainda
ativação alcalina.
O mecanismo exato da reação de geopolimerização não é totalmente
compreendido. A maioria dos mecanismos propostos consiste em dissolução,
transporte ou orientação, bem como reprecipitação (policondensação) dos
constituintes (ARIOZ et al., 2013).
Glukhovsky (1958 apud SHI, 2011) propôs um modelo geral para tentar
descrever os mecanismos da reação de geopolimerização. O modelo é dividido em
três etapas, a saber:
Destruição – coagulação
Na primeira etapa ocorre a dissolução, em meio altamente alcalino, dos
aluminossilicatos, rompendo as ligações Si-O-Si, Al-O-Al e Al-O-Si. A redistribuição
da densidade de elétrons em torno do átomo de silício, que é causada pela ação do
OH¯, faz a ligação Si-O-Si mais propensa à ruptura. A hidroxilação do silício forma
espécies intermediárias que se decompõem em SiO2-OH¯ e oligômeros, como
Si(OH)4 e OSi(OH)-3. Os cátions de metais alcalinos, provenientes do ativador,
equilibram a carga negativa resultante. Já os grupos hidroxila afetam as ligações de
Al-O-Si, levando o aluminato a formar espécies complexas, principalmente Al(OH)-4.
Coagulação – condensação
Os produtos lixiviados da primeira fase incorporam-se na fase aquosa e
acumulam-se para formar uma estrutura coagulada, quando ocorre a
policondensação. No caso da ligação Si-O-Si, que se rompeu na primeira fase para
formar o complexo hidroxilado Si(OH)4, durante a segunda fase condensa-se para
formar uma nova ligação Si-O-Si. Esta etapa é catalisada pelos íons OH¯. Os
agregados atômicos formados pela polimerização do ácido silícico começam a crescer
em todas as direções, gerando coloides.
38
Os aluminatos também participam da polimerização, substituindo
isomorficamente os tetraedros de silício. Enquanto o metal alcalino catalisa a reação
na primeira fase, na segunda, atua como componente.
Condensação – cristalização
Por último, na terceira fase, a presença de partículas da fase sólida inicial
promove precipitação dos produtos da reação. A composição da matéria-prima, suas
propriedades e condições de cura são determinantes para as características
adquiridas pelo produto final.
A fim de explicar detalhadamente a formação de um geopolímero, alguns
investigadores expandiram recentemente o modelo de Glukhovsky.
Este novo modelo consiste em duas etapas: i) nucleação, com a dissolução
dos aluminatos presentes e a formação, por meio de polimerização, de espécies
iónicas complexas, e; ii) crescimento, quando os núcleos atingem um tamanho crítico
e o cristal começa a crescer. O resultado final é uma matriz amorfa com propriedades
cimentantes, cujo principal componente é um gel de aluminossilicato de sódio
hidratado, N-A-S-H (SHI et al., 2011).
A formação do gel N-A-S-H, Figuras 2.10 e 2.11, inclui uma série de fases, que
se inicia com a fonte de aluminossilicato, que ao entrar em contato com a solução
alcalina dissolve-se em diversas espécies, de SiO2 e de Al2O3, principalmente
monômeros. Estes monômeros interagem para formar dímeros, que por sua vez
reagem com outros monômeros para formar trímeros, tetrâmeros e assim por diante.
Quando a solução atinge uma saturação de gel de aluminossilicato, o gel de N-A-S-H
precipita. Este gel é inicialmente rico em Al (chamado gel 1, um produto metaestável
de reação intermediária). A sua formação pode ser explicada pelo elevado teor de Al3+
no meio alcalino nas fases iniciais da reação, a partir dos primeiros minutos até as
primeiras horas (SHI et al., 2011).
O alumínio reativo dissolve-se mais rapidamente do que o silício devido às
ligações Al-O serem mais fracas do que as ligações Si-O. À medida que a reação
progride, mais grupos Si-O na fonte original de aluminossilicatos dissolvem-se,
aumentando a concentração de silício no meio reacional e sua proporção no gel N-A-
S-H (gel 2). Esta reorganização estrutural determina a composição final do
geopolímero, bem como a microestrutura e distribuição dos poros no material, que é
39
determinante no desenvolvimento de muitas propriedades físicas e mecânicas do
cimento resultante (SHI et al., 2011).
Figura 2.10 - Formação do gel de N-A-S-H (SHI et al., 2011).
Figura 2.11 - Representação 3D do gel de N-A-S-H (SHI et al., 2011).
Vale destacar que neste último modelo o gel de N-A-S-H é formado caso se
tenha sódio na ativação, pois, caso contrário, por exemplo, ao se ter potássio, forma-
se um gel de K-A-S-H. Assim, o gel formado é do tipo M-A-S-H, onde M representa o
cátion de metal alcalino utilizado na ativação.
2.1.5. Parâmetros importantes na geopolimerização
2.1.5.1. Relação molar SiO2/Al2O3
Segundo Ken et al. (2015), a reação de dissolução, hidrólise e condensação de
geopolímeros é fortemente afetada pela relação molar SiO2/Al2O3. Em um sistema
com baixa relação molar SiO2/Al2O3, a reação de condensação tende a ocorrer entre
os aluminatos e silicatos, resultando principalmente em estruturas geopoliméricas de
poli(sialato). Por outro lado, a reação de condensação em sistemas com elevada
relação molar SiO2/Al2O3 resulta predominantemente entre o próprio silicato,
formando silicatos oligoméricos que, por sua vez, condensam-se com Al(OH4)4- e
formam estruturas geopoliméricas de poli(sialato-siloxo) ou poli(sialato-disiloxo).
40
Para Pinto (2006), a relação molar SiO2/Al2O3 é determinante para as
características que irão se sobressair no geopolímero formado. Quando se têm
relações mais baixas, geram-se estruturas tridimensionais do tipo zeolítico. Por outro
lado, ao aumentar a relação molar SiO2/Al2O3, podendo chegar até 35, obtém-se
materiais com maior caráter polimérico, com cadeias mais largas e, portanto, mais
adequadas a outros tipos de aplicações, como as que demandam resistência ao fogo
e a altas temperaturas. Este aumento da relação leva a uma redução da
disponibilidade de alumínio, sendo que este passa a funcionar como ponte entre as
longas cadeias de Si-O-Si-O.
Diversos estudos ligam o aumento da relação molar SiO2/Al2O3 ao ganho de
resistência mecânica. Ozer e Soyer-Uzun (2015) ativaram MC com uma solução
composta de NaOH e silicato de sódio. A relação molar SiO2/Al2O3 foi variada (1,12;
1,77; e 2,20) e as amostras foram divididas em dois grupos. Em ambos utilizou-se
cura térmica, porém com tempos diferentes. Os pesquisadores constaram o aumento
da resistência à compressão conforme se aumentou a relação molar SiO2/Al2O3
(Figura 2.12). Outro ponto observado foi que a microestrutura do geopolímero com
relação molar SiO2/Al2O3 de 1,12 consistiu em componentes cristalinos, enquanto as
amostras com relação molar SiO2/Al2O3 de 1,77 e 2,20 continham microestruturas
amorfas.
Figura 2.12 - Resistência à compressão de geopolímeros em função da relação molar SiO2/Al2O3 (OZER e SOYER-UZUN, 2015).
É conhecido que a relação molar SiO2/Al2O3 afeta a microestrutura do
geopolímero e com isso sua resistência à compressão. Entretanto, pesquisadores
defendem um valor de equilíbrio, que ao ser ultrapassado teria efeito deletério nesta
41
propriedade mecânica. Duxson et al. (2007) ativaram MC com soluções alcalinas
compostas de NaOH, KOH e silicato de sódio. As amostras foram curadas a 40ºC por
22 h e depois de mantidas em temperatura de laboratório até a ruptura aos 7 dias.
Observaram um aumento da resistência à compressão conforme se aumentou a
relação molar SiO2/Al2O3, porém houve um ponto em que o aumento desta relação foi
deletério ao sistema (Figura 2.13).
Figura 2.13 - Resistência à compressão de geopolímeros em função da relação molar SiO2/Al2O3 (DUXSON et al., 2007).
Esses estudos demonstram que a resistência à compressão e a relação molar
SiO2/Al2O3 não são diretamente proporcionais, sendo necessária a busca por um valor
de equilíbrio.
A relação molar SiO2/Al2O3 geralmente é alterada utilizando-se silicatos (SiO2
solubilizada), ou ainda, utilizando uma mistura de precursores com composições
químicas diferentes.
Neste estudo utilizou-se apenas um tipo de precursor (MC) e o ativador alcalino
foi à base de hidróxidos. Com isso, a relação molar SiO2/Al2O3 foi constante para todas
as amostras, e oriunda das características químicas do material precursor. Logo,
apesar do estudo desta relação não ser o foco deste trabalho, mostra-se importante
um panorama sobre o tema.
2.1.5.2. Relação ativador/precursor
A relação ativador/precursor utilizada neste trabalho é entendida como a razão
em massa entre o ativador e o precursor.
42
Rangel (2017) estudou argamassas geopoliméricas à base de MC ativadas
com soluções monocomponentes de NaOH e KOH. Os corpos de prova foram curados
à temperatura ambiente e ensaiados aos 7 dias. As Figuras 2.14 e 2.15 mostram os
resultados obtidos.
Figura 2.14 - Resistência à compressão aos 7 dias em função da relação ativador/precursor de argamassas ativadas por KOH (adaptado de RANGEL, 2017).
Figura 2.15 - Resistência à compressão aos 7 dias em função da relação ativador/precursor de argamassas ativadas por NaOH (adaptado de RANGEL, 2017).
O pesquisador concluiu que o efeito da relação ativador/precursor nas
argamassas é similar aos efeitos da relação SiO2/Al2O3. Há um ponto de equilíbrio.
Considerando os desvios tanto para as argamassas ativadas com KOH quanto com
NaOH, a resistência à compressão cresce conforme se aumenta a relação
ativador/precursor. Ao se atingir um determinado valor (0,35 para o KOH e 0,25 para
o NaOH) a resistência mecânica começa a cair. Para Rangel (2017), o aumento da
relação ativador/precursor favorece a solubilização da SiO2 e Al2O3 presentes no
43
precursor, devido à maior concentração de hidróxido, favorecendo a geopolimerização
com consequente ganho de resistência. Entretanto, ao ultrapassar o ponto de
equilíbrio, passa-se a ter um excesso de ativador, desencadeando reações deletérias
na estrutura.
Assim, a relação ativador/precursor desempenha um papel crucial na síntese
de geopolímeros. Neste trabalho buscou-se entender o efeito desta relação aliada à
variação composicional do ativador alcalino na resistência à compressão de
argamassas geopoliméricas à base de MC.
Vale ressaltar, que a análise da relação ativador/precursor não pode ser feita
sozinha. É necessário analisar conjuntamente a relação líquido/sólido, visto que são
relações interdependentes. A seguir discorre-se sobre o efeito desta relação nos
geopolímeros.
2.1.5.3. Relação líquido/sólido
A relação líquido/sólido (l/s) utilizada neste trabalho é entendida como a razão
em massa entre a água presente na solução ativadora e a soma do material precursor
com o hidróxido alcalino. Vale lembrar que há trabalhos em que se considera como
líquido a própria solução ativadora e o sólido apenas o precursor. Neste caso é uma
relação do tipo solução/precursor. Há também a forma invertida desta relação,
conhecida por relação sólido/líquido.
Segundo Rangel (2017), a relação l/s em geopolímeros possui implicações
diferentes das observadas em aglomerantes hidráulicos, visto que nos geopolímeros
a água não compõe os produtos da geopolimerização.
Yao et al. (2014) relataram que baixas relações l/s implicam em baixa
trabalhabilidade da pasta geopolimérica, porém o incremento desta relação retardou
o tempo de pega. Por outro lado, Zuhua et al. (2009) destacam que altas relações l/s
poderiam acelerar a dissolução da SiO2 e Al2O3 presente no precursor, visto que a
água é indispensável durante a geopolimerização, especialmente na dissolução das
partículas sólidas e hidrólise dos íons (Al3+ e Si4+) dissolvidos. Segundo Rashad
(2013), o incremento da relação l/s pode aumentar a porosidade da pasta endurecida,
prejudicando a resistência à compressão.
Lin et al. (2012) ativaram MC com uma solução composta de NaOH e silicato
de sódio, e analisaram os efeitos da variação da relação l/s (1,0, 1,25, 1,67 e 2,5), na
resistências à compressão. Os corpos de prova foram ensaiados nas idades de 1, 7,
44
28 e 60 dias. Os resultados indicaram que, em todas as idades, a relação l/s de 2,5
produziu a menor resistência e a de 1,25 a maior (Figura 2.16). À medida que a relação
l/s se aproximou de 1,0 a pasta perdeu trabalhabilidade.
Figura 2.16 - Resistência à compressão de geopolímeros em função da relação líquido/sólido (adaptado de LIN et al., 2012).
O aumento excessivo da relação l/s confere maior trabalhabilidade ao
geopolímero; entretanto, após a secagem da amostra há um aumento da porosidade,
prejudicando a resistência mecânica. Por outro lado, reduzida relação l/s diminui a
trabalhabilidade do geopolímero, dificultando o adensamento e acarretando defeitos
de moldagem na peça, que também prejudicam a resistência à compressão. Logo,
assim como os parâmetros anteriores, a relação l/s também apresenta um ponto de
equilíbrio.
EFEITO DAS CARACTERÍSTICAS DO PRECURSOR NA RELAÇÃO LÍQUIDO/SÓLIDO
As características físicas do material precursor também podem afetar a relação
l/s. Duas principais características físicas do MC afetam este parâmetro: a forma
lamelar de suas partículas e sua elevada área superficial devido à reduzida dimensão
das partículas. Para Li et al. (2010), o MC demanda muita água devido à elevada área
superficial e a forma lamelar de suas partículas. Esta maior quantidade de água causa
aumento da retração por secagem e consequente fissuração.
Para compensar a perda de trabalhabilidade conferida pelo MC, faz-se
necessário aumentar a água; com isso, há um aumento na porosidade da peça, o que
acaba por prejudicar a resistência mecânica (DUXSON et al., 2008; PELISSER et al.,
45
2013). Entretanto, mesmo com a perda de trabalhabilidade, é possível confeccionar
geopolímeros à base de MC com reduzidas relações l/s (Marín-López et al., 2009).
Logo, fica clara a importância da relação l/s na síntese de geopolímeros.
Entretanto, neste trabalhou esta relação foi fixada, e a escolha do valor se baseou em
trabalhos anteriores, sobretudo no de Rangel (2017).
2.1.5.4. Eflorescência
Segundo Kani et al. (2012), a eflorescência é causada pela migração dos álcalis
que não foram consumidos na gepolimerização. Estes álcalis se depositam na
superfície da peça e podem reagir com o CO2 atmosférico, resultando na formação de
depósitos de carbonato branco conhecidos como eflorescência (Figura 2.17). Ainda,
de acordo com os pesquisadores, a eflorescência pode ou não degradar o
aglomerante.
Para Provis (2014), a eflorescência é assunto recorrente em geopolímeros
ativados com elevadas concentrações de hidróxidos, em que o excesso de álcalis
migra para a superfície e reage com o CO2 do ambiente. Segundo o pesquisador, a
eflorescência causa um aspecto desagradável, mas nem sempre é prejudicial à
integridade estrutural do material.
Figura 2.17 - Eflorescência em geopolímeros à base de argila calcinada: (A) 0 dias e; (B) 7 dias (ZHANG et al., 2017).
2.1.6. Aplicações dos geopolímeros
Segundo Fernández-Jiménez e Palomo (2014), em geral, os geopolímeros são
mais duráveis do que os sistemas à base de cimento Portland. As pastas e
argamassas geopoliméricas apresentam comportamento adequado quando expostas
a sulfatos, ataque de água do mar, meios ácidos, reação álcali-sílica, corrosão de
46
armadura, entre outros meios agressivos. Ainda, segundo os pesquisadores, como as
fases mineralógicas e os elementos microestruturais presentes nos geopolímeros são
muito diferentes dos apresentados por sistemas à base de cimento Portland, os
processos de degradação diferem nos dois tipos de material.
Segundo Duxson et al. (2006), os geopolímeros à base de MC podem
apresentar características superiores (resistência ao fogo, a ácidos, estabilidade
dimensional e rápida evolução da resistência mecânica nas primeiras idades) das
apresentadas por materiais derivados de cimento Portland. Este mesmo pesquisador
afirma que as características apresentadas pelos geopolímeros são dependentes dos
materiais e processos utilizados em sua síntese.
Figura 2.18 - Quadro geral de aplicações (DAVIDOVITS, 1999 apud PINTO 2006).
Um dos parâmetros que mais influenciam nas propriedades finais do
geopolímero é a relação molar SiO2/Al2O3. A Figura 2.18 mostra a mudança nas
propriedades adquiridas pelo geopolímero conforme se aumenta a relação SiO2/Al2O3.
Nota-se que relações mais baixas originarão, em sua maioria, materiais cerâmicos.
47
O concreto geopolimérico também vem sendo empregado, sobretudo em
países mais desenvolvidos, como Canadá e Austrália. Nestes países este concreto já
tem diversas aplicações, entre elas: painéis pré-fabricados de edificações, confecção
de dormentes, blocos estruturais ou de vedação, materiais refratários e pavimentação
de rodovias (SONAFRANK, 2010).
Segundo o centro de engenharia e segurança de infraestruturas da
Universidade de Nova Gales do Sul na Austrália1, a maior aplicação de geopolímeros
no mundo foi realizada no aeroporto de Brisbane (Austrália), sendo utilizados cerca
de 40000 m3 de concreto geopolimérico. A maior parte deste concreto foi utilizada na
pavimentação das pistas do aeroporto (Figura 2.19). A escolha do geopolímero se deu
devido à sua durabilidade e resistência mecânica.
1
Figura 2.19 - Pavimentação do aeroporto de Brisbane com concreto geopolimérico1.
2.2. ARGAMASSAS
Segundo a NBR 13281 (ABNT, 2005), argamassa pode ser entendida como
um material com propriedades de aderência e endurecimento, oriunda da mistura
homogênea de um aglomerante inorgânico, água e um agregado miúdo. Dependendo
da aplicação, e com o intuito de modificar propriedades, pode conter aditivos e/ou
adições, e pode ser dosada in loco ou em central.
As principais aplicações de argamassas são:
assentamento de peças cerâmicas;
regularização e revestimento de superfícies;
dar acabamento (rugoso, liso, texturizado etc.) às superfícies;
impermeabilização de superfícies.
1 - Disponível em: < http://www.cies.unsw.edu.au/news/a-major-milestone-in-the-use-of-geopolymer-
concrete-brisbane-west-wellcamp-airport> Acesso em nov. 2017.
48
2.2.1. Tipos de argamassas
Atualmente no mercado há diversos tipos de argamassas, dentre estas se tem
as convencionais, as industrializadas e as poliméricas.
As argamassas convencionais normalmente são dosadas em obra e o
aglomerante pode ser cimento Portland, cal, gesso, ou uma mistura destes. Seu uso
é o mais antigo e difundido dentre as demais.
As argamassas industrializadas são aquelas oriundas da dosagem controlada,
em plantas industriais, de aglomerante(s), agregado(s) e, eventualmente, aditivo(s).
O resultado é uma mistura seca e homogênea em que o usuário apenas adiciona a
quantidade de água requerida.
As argamassas poliméricas são uma nova tipologia de argamassa
industrializada. Uma de suas principais características é a de ser comercializada em
estado pastoso e pronta para utilização, não havendo a necessidade de se adicionar
água ou outro aditivo pelo usuário. Estas argamassas são compostas por resinas
sintéticas, cargas minerais e diversos aditivos. Assim, não levam cimento Portland
nem areia em sua composição.
2.2.1.2. Argamassa geopolimérica
Argamassa geopolimérica é o produto da adição de agregado miúdo ao
geopolímero. Por ser uma classe relativamente nova, não possui normativa no Brasil,
e nem comercialização. Esta argamassa terá propriedades de acordo com os
materiais de partida (precursor/ativador) utilizados na síntese do geopolímero.
Atualmente, não há um consenso sobre o padrão de mistura dos constituintes e nem
um método de dosagem destes. Entretanto, diversos pesquisadores mostraram ser
viável o uso de argamassas geopoliméricas na construção civil.
Rangel (2017) ensaiou argamassas geopoliméricas à base de MC ativado com
NaOH e KOH, de acordo com os requisitos da NBR 13281 (ABNT, 2005). Constatou
que a argamassa geopolimérica ativada com KOH satisfazia os critérios para vedação
e encunhamento de paredes; já a ativada com NaOH foi superior, inclusive podendo
ser comparada com as argamassas para assentamento estrutural.
França (2017) avaliou duas argamassas como reparo de vigas de concreto
armado, uma argamassa geopolimérica à base de MC e ativada com NaOH e silicato
de sódio, e uma argamassa industrial. O pesquisador constatou que a argamassa
49
geopolimérica restaurou o caráter monolítico da peça. Os ensaios mostraram que,
além do reparo, houve pequeno reforço da viga. Já a argamassa industrial promoveu
um reparo deficiente, e ainda reduziu discretamente a capacidade portante da viga.
Assim, a argamassa geopolimérica é uma alternativa que ainda demanda
muitos estudos. No entanto, como não há normas para este material, os ensaios são
baseados em normas para sistemas à base de cimento Portland.
50
3. PROGRAMA EXPERIMENTAL
O programa experimental apresenta os materiais, ensaios analíticos,
equipamentos e etapas necessárias para se atingir os objetivos deste trabalho. O
programa foi dividido em três etapas. A primeira envolve a caracterização dos
materiais (MC, NaOH, KOH, areia de rio lavada e areia normal brasileira). A segunda
etapa consiste na definição das diferentes argamassas e dos ensaios utilizados para
a análise destas. Na terceira e última etapa efetuou-se a caracterização química, física
e mecânica dos mesmos.
A Figura 3.1 apresenta um fluxograma sucinto para a melhor compreensão das
etapas realizadas neste trabalho.
Figura 3.1 - Etapas do trabalho experimental.
3.1. MATERIAIS
3.1.1. Metacaulim (MC)
Em geopolímeros à base de MC tem-se a pureza do MC como um dos
principais parâmetros que podem influenciar a resistência mecânica do produto final
(ARELLANO-AGUILAR et al., 2014). Para Kuenzel et al. (2013), o MC comercial
geralmente possui elevada pureza, assim como composição química e mineralógica
adequadas.
51
Assim, com o intuito de um melhor controle, o material precursor utilizado foi o
MC comercial, obtido junto à empresa Metacaulim do Brasil. A caracterização física e
a química do MC estão descritas nos itens subsequentes.
3.1.1.1. Caracterização química
FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X
Para a determinação da composição química do MC utilizou-se a fluorescência
de raios X (EDX) (Tabela 3.1), em um equipamento Shimadzu EDX-700 do
Laboratório de Engenharia Civil (LECIV-UENF). A análise química do MC apresentou
como componentes principais SiO2 (54,14%) e Al2O3 (37,60%), valores comuns a este
material. A relação molar SiO2/Al2O3 do material é de 2,44. Como o ativador alcalino
é à base de hidróxidos, a relação SiO2/Al2O3 encontrada é, também, a relação
SiO2/Al2O3 da argamassa geopolimérica.
A amostra foi preparada em forma de pó, homogeneizada, seca em estufa até
massa constante e passada em peneira ABNT 200 (74 µm).
Tabela 3.1 - Fluorescência de raios X do Metacaulim.
Óxido Quantidade (%)
SiO2 54,14
Al2O3 37,60
K2O 3,60
Fe2O3 1,64
SO3 1,53
TiO2 1,41
Outros 0,08
DIFRATOMETRIA DE RAIOS X
Para identificação das fases cristalinas do MC utilizou-se a difratometria de
raios X (DRX), em um equipamento Rigaku Última IV, do Laboratório de Ciências
Físicas (LCFIS/UENF), com tubo de Cu-Κα (40 kV/30 mA), coleta entre 3 e 60º (2θ),
velocidade do goniômetro de 0,02º/passo e tempo de acumulação de 2 segundos. A
amostra foi preparada em forma de pó, homogeneizada, seca em estufa até massa
constante e passada em peneira ABNT 200 (74 µm).
A Figura 3.2 mostra o resultado do DRX do MC, onde é possível observar picos
de caulinita já bem deteriorados, evidenciando que a calcinação do material foi bem
52
realizada. Vale ressaltar que uma recalcinação do MC pode melhorar ainda mais sua
reatividade, transformando toda caulinita remanescente em metacaulinita. O item
3.2.5 aborda este assunto. Nota-se a presença de alguns minerais cristalinos, como
quartzo e muscovita, que são impurezas resistentes ao processo de calcinação do
material.
Figura 3.2 - Difratometria de raios X do metacaulim.
ANÁLISES TÉRMICAS
O comportamento térmico do MC foi determinado por meio de análise térmica
diferencial (ATD) e análise térmica gravimétrica (ATG), em um equipamento RB 3000
do Laboratório de Materiais Avançados (LAMAV/UENF). O intervalo de temperatura
foi de 30 até 1000°C, com taxa de aquecimento de 12,5°C/min.
A ATD do MC (Figura 3.3) confirma o baixo teor de caulinita, pois o pico
endotérmico a aproximadamente 570°C, característico da transformação da caulinita
em metacaulinita, apresenta baixa intensidade. O pico exotérmico entre 950 e 1000°C
refere-se à transformação da metacaulinita em mulita, com consequente
recristalização do material. A ATG (Figura 3.3) mostra que o MC possui baixa perda
ao fogo, próxima de 3%, que é decorrente do processo de calcinação na sua
fabricação.
53
Figura 3.3 – ATD e ATG do MC.
PERDA AO FOGO
A determinação da perda ao fogo seguiu o recomendado pela NBR NM 18
(ABNT, 2012). O ensaio consiste em tomar uma massa conhecida de material e
calciná-la a 1000ºC por cerca de 1 hora. Após, mensurar novamente sua massa; a
perda ao fogo é então calculada pela Equação 3.1.
𝑃𝑓 =𝑚1 − 𝑚2
𝑚1 ∙ 100
(3.1)
Onde:
𝑃𝑓 é a perda ao fogo, em %;
𝑚1 é a massa da amostra antes de calcinar, em g;
𝑚2 é a massa da amostra depois de calcinada, em g.
O MC apresentou perda ao fogo de 2,9%, resultado condizente com o obtido
na análise térmica gravimétrica.
ÍNDICE DE ATIVIDADE POZOLÂNICA
A determinação do índice de atividade pozolânica (IAP) com a cal aos 7 dias
seguiu o preconizado na NBR 5751 (ABNT, 2015). O ensaio consiste na ruptura aos
7 dias de 3 corpos de prova cilíndricos com 50 mm de diâmetro por 100 mm de altura.
A cura destes é realizada no próprio molde, sendo 24h à temperatura de 23 ± 2°C e
durante seis dias em estufa à temperatura de 55 ± 2°C. A norma prevê que para o
material apresentar pozolanicidade deve alcançar uma resistência à compressão
mínima de 6,0 MPa.
54
O valor encontrado para o MC foi de 13,3 MPa, com um desvio-padrão máximo
de 4,1%. Por meio do IAP pode-se estimar de forma indireta a reatividade do MC, pois
tanto na geopolimerização como na reação pozolânica são necessários SiO2 e Al2O3
reativos. Assim, quanto maior for o índice de atividade pozolânica de um material,
maior será o teor de sílica e alumina reativas.
3.1.1.2. Caracterização física
MASSA ESPECÍFICA
A massa específica do MC foi determinada em frasco de Le Chatelier, seguindo
o preconizado na NBR 16605 (ABNT, 2017). O valor encontrado foi de 2,55 g/cm³.
GRANULOMETRIA
A distribuição granulométrica do MC foi determinada por meio de granulometria
a laser, em um equipamento CILAS 1190 do Laboratório de Geotecnia e Meio
Ambiente (LGMA/PUC-RJ). Para a realização do ensaio foi utilizada água destilada
como meio dispersante. Já as condições do ensaio foram: agitação de 1500 rpm,
tempo de ultrassom de 5 min, tempo de dispersão de 5 min e obscuração de 20%.
Figura 3.4 - Distribuição granulométrica a laser do metacaulim.
A Figura 3.4 mostra a distribuição granulométrica a laser do MC. Os dados
granulométricos percentuais encontrados no ensaio são: D10: 2,91 µm, D50: 19,20 µm,
D90: 46,15 µm e Dmédio: 22,37 µm.
55
3.1.1.3. Requisitos do MC
A NBR 12653 (ABNT, 2014) classifica e apresenta as exigências físicas e
químicas para um material ser considerado pozolânico. A Tabela 3.2 mostra tais
requisitos e também os valores encontrados para o MC utilizado neste estudo.
Tabela 3.2 - Exigências físicas e químicas para materiais pozolânicos.
Propriedades Classe de material pozolânico
MC N C E
SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 (%) ≥ 70 ≥ 70 ≥ 50 93,8
SO3 (%) ≤ 4 ≤ 5 ≤ 5 1,4
Teor de umidade (%) ≤ 3 ≤ 3 ≤ 3 0,5
Perda ao fogo (%) ≤ 10 ≤ 6 ≤ 6 2,9
Álcalis disponíveis em Na2O (%)
≤ 1,5 ≤ 1,5 ≤ 1,5 -
Material retido na peneira 45 µm (%)
≤ 20 ≤ 20 ≤ 20 5,3
Atividade pozolânica com a cal aos 7 dias (MPa)
≥ 6 ≥ 6 ≥ 6 13,3
Onde, a classe N são pozolanas naturais e artificiais como certos materiais
vulcânicos de caráter petrográfico ácido, “cherts” silicosos, terras diatomáceas e
argilas calcinadas. A classe C são as cinzas volantes produzidas pela queima de
carvão mineral em usinas termoelétricas e a classe E é qualquer pozolana cujos
requisitos diferem das classes anteriores. O MC pertence à classe N e de acordo com
a Tabela 3.2 atende aos requisitos estipulados pela NBR 12653 (ABNT, 2014).
3.1.2. Hidróxido de sódio
Um dos ativadores alcalinos utilizados foi o NaOH em forma de escamas, obtido
junto à Distribuidora de Produtos Químicos São Lázaro. A Tabela 3.3 mostra o laudo
de análise química fornecido pelo fabricante.
Tabela 3.3 - Laudo de análise química do NaOH.
Parâmetro Valor (%) Especificação (%)
NaOH 99,00 98,50 mín
Na2CO3 0,24 0,50 máx
NaCl 0,027 0,05 máx
Fe2O3 0,0028 0,005 máx
56
3.1.3. Hidróxido de potássio
O outro ativador alcalino utilizado foi o KOH em forma de escamas, obtido junto
à Distribuidora de Produtos Químicos São Lázaro. A Tabela 3.4 mostra o laudo de
análise química fornecido pelo fabricante.
Tabela 3.4 - Laudo de análise química do KOH.
Parâmetro Valor (%) Especificação (%)
KOH 90,00 mín
Não informada K2CO3 0,5 máx
KCl 0,015 máx
NaOH 1,00 máx
3.1.4. Água
A água utilizada para compor as soluções alcalinas foi destilada para se uma
possível evitar contaminação na geopolimerização, por cloro, flúor ou outros
elementos comuns na água da rede de abastecimento.
No item 3.2.4.2 utilizou-se água da rede de abastecimento (cidade de Campos
dos Goytacazes-RJ), com o intuito de se comparar a influência do tipo de água na
resistência à compressão das argamassas.
3.1.5. Agregado miúdo
O agregado miúdo utilizado foi uma areia proveniente do rio Paraíba do Sul,
que foi lavada e seca em estufa até atingir massa constante. Aproveitou-se todo o
material passante na peneira ABNT 16 (1,18 mm). A massa específica da areia foi
determinada por picnometria. Os resultados da caracterização da areia estão na
Tabela 3.5. A granulometria (Figura 3.5) foi determinada através do preconizado na
NBR NM 248 (ABNT, 2003).
Tabela 3.5 - Caracterização da areia de rio lavada.
Descrição Resultado
Massa específica (g/cm³) 2,62
Módulo de finura 2,12
Diâmetro máximo (mm) 1,18
57
Figura 3.5 - Granulometria da areia de rio lavada.
No item 3.2.4.2 utilizou-se areia normal brasileira. Neste item compara-se a
resistência à compressão das argamassas quando confeccionadas com areia normal
e com areia de rio lavada.
A areia normal brasileira foi adquirida junto ao Instituto de Pesquisas
Tecnológicas – IPT e normatizada pela NBR 7214 (ABNT, 2015). A massa específica
de cada fração foi determinada por picnometria (Tabela 3.6).
Tabela 3.6 - Massa específica da areia normal brasileira.
Fração Peneira (ABNT) Massa específica (g/cm3)
Grossa 16 (1,18 mm) 2,63
Média grossa 30 (600 μm) 2,64
Média fina 50 (300 μm) 2,64
Fina 100 (150 μm) 2,65
Mistura das 4 frações - 2,64
De acordo com a Tabela 3.6 pode-se considerar que todas as frações possuem
praticamente a mesma massa específica.
3.2. MÉTODOS
3.2.1. Estudo das argamassas
Argamassa geopolimérica pode ser entendida como o produto da adição de
agregado miúdo ao geopolímero (Figura 3.6). Para se chegar a uma argamassa
58
adequada, principalmente no que tange à trabalhabilidade, eflorescência e resistência
à compressão, um amplo estudo foi necessário.
Figura 3.6 - Constituintes da argamassa geopolimérica.
Neste trabalho foram fabricadas diversas argamassas. Entretanto, somente a
melhor foi testada com base nos requisitos da NBR 13281 (ABNT, 2005).
A melhor argamassa foi determinada com base em requisitos pré-
estabelecidos, a saber:
trabalhabilidade;
presença de eflorescência;
resistência à compressão.
3.2.1.1. Nomenclatura das argamassas
Para a identificação da composição de cada argamassa foi criada uma
nomenclatura, e esta respeita a seguinte formulação:
Precursor : ativador(1)/precursor : ativador(2)/precursor :
agregado miúdo/precursor : água/sólidos
O primeiro item diz respeito ao material precursor (MC). O valor deste item é
sempre igual a 1, pois este é referência para os demais.
O segundo item diz respeito à relação ativador(1)/precursor. O valor deste item
é a massa de NaOH dividida pela massa de MC.
O terceiro item diz respeito à relação ativador(2)/precursor. O valor deste item
é a massa de KOH dividida pela massa de MC.
A soma do segundo e do terceiro item é igual à relação ativador/precursor total.
59
O quarto item diz respeito à relação agregado miúdo/precursor. O valor deste
item é sempre igual a 1, pois se adotou, nas composições, a massa de areia igual à
massa de MC.
O quinto item diz respeito à relação água/sólidos. O valor deste item é a massa
de água dividida pela soma das massas do ativador e do precursor. Vale destacar que
em todas as argamassas estudadas neste trabalho a relação água/sólidos foi mantida
constante e igual a 0,35. A escolha deste valor foi baseada em trabalhos anteriores
do Laboratório de Engenharia Civil (LECIV/UENF), principalmente no estudo de
Rangel (2017).
À frente da formulação existem as letras “N”, “K” ou “NK”, indicando o tipo de
ativador alcalino utilizado. Quando “N” a solução ativadora possui apenas NaOH,
quando “K” a solução ativadora possui apenas KOH e caso seja “NK” a solução
ativadora é uma mistura de NaOH e KOH.
3.2.1.2. Composição das argamassas
Inicialmente estudou-se 20 composições diferentes de argamassas (Tabela
3.7). O objetivo foi entender a influência da variação da relação ativador/precursor
total, juntamente com a variação da constituição da solução ativadora. As 20
composições foram divididas em 4 séries, onde a diferença entre elas é justamente a
relação ativador/precursor total (0,25, 0,30, 0,35, e 0,40). Cada série possuía 5
argamassas, onde a constituição da solução ativadora foi variada, a saber:
primeira argamassa com solução contendo 100% NaOH;
segunda argamassa com solução contendo 70% NaOH/30% KOH;
terceira argamassa com solução contendo 50% NaOH/50%KOH;
quarta argamassa com solução contendo 30% NaOH/70%KOH;
quinta argamassa com solução contendo 100% KOH.
As 20 composições foram avaliadas por meio da trabalhabilidade (flow-table e
squeeze-flow), presença de eflorescência e resistência à compressão aos 7 e 28 dias.
O agregado miúdo utilizado, nestas composições, foi a areia de rio lavada. Já a água
utilizada foi destilada.
60
Tabela 3.7 - Composição das 20 argamassas inicialmente estudadas.
Nomenclatura Prec. Ativ.(1)/
precur.
Ativ.(2)/
prec.
Agreg.
miúdo/
precur.
água/
sólido
Sé
rie 0
,25
N 1:0,25:0:1:0,35 1 0,25 0 1 0,35
NK 1:0,175:0,075:1:0,35 1 0,175 0,075 1 0,35
NK 1:0,125:0,125:1:0,35 1 0,125 0,125 1 0,35
NK 1:0,075:0,175:1:0,35 1 0,075 0,175 1 0,35
K 1:0:0,25:1:0,35 1 0 0,25 1 0,35
Sé
rie 0
,30
N 1:0,30:0:1:0,35 1 0,30 0 1 0,35
NK 1:0,21:0,09:1:0,35 1 0,21 0,09 1 0,35
NK 1:0,15:0,15:1:0,35 1 0,15 0,15 1 0,35
NK 1:0,09:0,21:1:0,35 1 0,09 0,21 1 0,35
K 1:0:0,30:1:0,35 1 0 0,30 1 0,35
Sé
rie 0
,35
N 1:0,35:0:1:0,35 1 0,35 0 1 0,35
NK 1:0,245:0,105:1:0,35 1 0,245 0,105 1 0,35
NK 1:0,175:0,175:1:0,35 1 0,175 0,175 1 0,35
NK 1:0,105:0,245:1:0,35 1 0,105 0,245 1 0,35
K 1:0:0,35:1:0,35 1 0 0,35 1 0,35
Sé
rie 0
,40
N 1:0,40:0:1:0,35 1 0,40 0 1 0,35
NK 1:0,28:0,12:1:0,35 1 0,28 0,12 1 0,35
NK 1:0,20:0,20:1:0,35 1 0,20 0,20 1 0,35
NK 1:0,12:0,28:1:0,35 1 0,12 0,28 1 0,35
K 1:0:0,40:1:0,35 1 0 0,40 1 0,35
De posse dos resultados de trabalhabilidade, presença de eflorescência e
resistência à compressão elegeu-se a melhor série. Algumas composições da melhor
série foram testadas variando-se condições de cura e materiais constituintes. Por fim,
a melhor argamassa foi submetida aos ensaios preconizados pela NBR 13281 (ABNT,
2005).
61
3.2.1.3. Procedimento de preparo das argamassas
Em todos os ensaios realizados neste trabalho as argamassas foram
confeccionadas da mesma maneira, cuja descrição é feita a seguir.
SOLUÇÃO ATIVADORA ALCALINA
A solução ativadora foi preparada com 1 dia de antecedência à moldagem. Este
procedimento foi necessário, pois a dissociação de uma base forte (NaOH/KOH) em
água é uma reação química extremamente exotérmica. O elevado calor liberado por
esta reação é perigoso para o usuário e pode influenciar na geopolimerização.
No preparo da solução, o hidróxido foi adicionado à água em um béquer de
vidro, e homogeneizado com o auxílio de um misturador magnético por 5 minutos.
Após, a solução ativadora foi acondicionada em frasco plástico hermeticamente
fechado, e mantida em laboratório a aproximadamente 20°C.
PH DA SOLUÇÃO ALCALINA ATIVADORA
Com os valores em massa dos constituintes da solução alcalina foi possível
determinar sua concentração molal ou molalidade, número de mols do soluto dividido
pela massa de solvente. Há uma relação entre a molalidade de uma solução e sua
molaridade (número de mols do soluto dividido pelo volume de solução). O gráfico da
Figura 3.7 foi elaborado por meio de dados experimentais obtidos por Haynes (2015)
para soluções aquosas de NaOH e KOH a 20°C. As soluções ativadoras alcalinas de
cada argamassa foram mantidas em laboratório a aproximadamente 20°C até o
momento de execução das moldagens. Assim, foi possível o uso das equações de
tendência fornecidas pela Figura 3.7 para se estimar a molaridade destas soluções.
Figura 3.7 – Molaridade de soluções alcalinas de NaOH e KOH a 20°C (HAYNES, 2015).
62
Vale ressaltar que o cálculo da molaridade não foi realizado de forma direta por
mera praticidade, pois como a solução não foi feita em balão volumétrico, o cálculo de
seu volume envolveria a determinação de sua densidade.
De posse da molaridade das soluções ativadoras alcalinas, procedeu-se com
o cálculo do pH teórico (potencial hidrogeniônico) (Equação 3.2). Como a Figura 3.7
só fornece dados para soluções monocomponentes de NaOH ou KOH, e não da
mistura destes (solução bicomponente), determinou-se o pH teórico apenas para as
soluções com 100% de NaOH e 100% de KOH.
𝑝𝐻 = 14 + log [𝑂𝐻−] (3.2)
Além do pH teórico, todas as soluções ativadoras alcalinas também tiveram
seu pH medido a 20°C. O aparelho utilizado foi um pHmetro da marca Micronal
(modelo B374).
VISCOSIDADE DA SOLUÇÃO ALCALINA ATIVADORA
Há uma relação entre a molalidade de uma solução e sua viscosidade. O
gráfico da Figura 3.8 foi elaborado por meio de dados experimentais obtidos por
Haynes (2015) para soluções aquosas de NaOH e KOH a 20°C. Nota-se que para
uma mesma molalidade, as soluções de NaOH apresentam maiores viscosidades.
Essa diferença se torna ainda mais expressiva com o aumento da molalidade da
solução.
Figura 3.8 - Viscosidade de soluções alcalinas de NaOH e KOH a 20°C (HAYNES, 2015).
63
As soluções alcalinas de cada argamassa foram mantidas em laboratório a
aproximadamente 20°C até o momento de execução das moldagens. Assim, foi
possível o uso das equações de tendência fornecidas pela Figura 3.8 para se estimar
a viscosidade destas soluções. Entretanto, como a Figura 3.8 só fornece dados para
soluções monocomponentes de NaOH ou KOH, e não da mistura destes (solução
bicomponente), determinou-se a viscosidade teórica apenas para as soluções com
100% de NaOH e 100% de KOH.
MISTURA DA ARGAMASSA
A mistura dos constituintes da argamassa foi realizada em uma
argamassadeira da marca SOLOTEST (Figura 3.9).
O procedimento se deu do seguinte modo:
adição da solução ativadora no recipiente do misturador;
adição do MC, dentro de um período de 30 segundos e rápida mistura com uma
espátula metálica;
acionamento do misturador por 1 minuto, em velocidade baixa e, parada de 30
segundos para a raspagem do material acumulado nas laterais da cuba e na
pá do equipamento;
acionamento em velocidade alta por mais 2 minutos;
retorno à velocidade baixa por 1 minuto, para a adição de areia;
nova parada de 30 segundos para raspagem do material acumulado nas
laterais da cuba e na pá do equipamento;
acionamento do misturador em velocidade alta por mais 3 minutos.
Figura 3.9 - Argamassadeira.
64
3.2.2. Caracterização física das argamassas
No estado fresco tem-se a trabalhabilidade como uma das principais
características de uma argamassa. Para mensurá-la, utilizou-se o ensaio de
determinação do índice de consistência (flow-table), normatizado pela NBR 13276
(ABNT, 2016), e o ensaio do método do squeeze-flow, normatizado pela NBR 15839
(ABNT, 2010).
No estado endurecido as diferentes composições foram avaliadas por meio da
presença de eflorescência e resistência à compressão (7 e 28 dias).
Com base nos requisitos anteriores (trabalhabilidade, eflorescência e
resistência à compressão) elegeu-se a melhor argamassa, para ser ensaiada segundo
a NBR13281 (ABNT, 2005). Esta norma específica os requisitos exigíveis para a
argamassa utilizada em assentamento e revestimento de paredes e tetos. A
argamassa é classificada por sete ensaios e cada ensaio possui sua respectiva
norma.
A fim de ampliar a caracterização física, algumas argamassas da série com as
melhores resistências à compressão, dentre estas a argamassa elegida
anteriormente, tiveram outros parâmetros avaliados, como a influência da
granulometria do agregado miúdo, o uso de água da rede de abastecimento, ao invés
de água destilada, e diferentes tipos de cura, como a térmica e a úmida (submersa).
3.2.2.1. Trabalhabilidade
A trabalhabilidade das argamassas foi mensurada por meio de 3 critérios:
índice de consistência (flow-table), método do squeeze-flow e facilidade de manuseio.
ÍNDICE DE CONSISTÊNCIA (FLOW-TABLE)
O ensaio de determinação do índice de consistência (flow-table) é realizado
com a argamassa em seu estado fresco. O procedimento adotado foi o proposto na
NBR 13276 (ABNT, 2016). A mistura dos materiais seguiu o item 3.2.1.3. A mesa de
adensamento e os equipamentos utilizados são da marca SOLOTEST (Figura 3.10).
65
Figura 3.10 - Mesa de adensamento.
SQUEEZE-FLOW
O ensaio do método do squeeze-flow é realizado com a argamassa em seu
estado fresco. O procedimento adotado foi o proposto na NBR 15839 (ABNT, 2010).
A mistura dos materiais seguiu o item 3.2.1.3.
Para a compressão da amostra foi utilizada uma máquina universal de ensaios
mecânicos da marca EMIC (Figura 3.11). As ferramentas utilizadas para os ensaios
foram: uma base inferior rígida de aço inox, uma base superior rígida de aço inox para
a aplicação da carga e um anel de alumínio com 100 mm de diâmetro interno e 10
mm de altura.
Os dados de tempo, carga e deslocamento foram registrados pelo software
acoplado ao equipamento.
Figura 3.11 - Ensaio do método do squeeze-flow.
3.2.2.3. Eflorescência
A análise da presença de eflorescência se deu de forma visual. A fim de
caracterizá-la realizou-se uma análise mineralógica por DRX. Os equipamentos e as
condições de ensaio foram os mesmos do item 3.1.1.1, com exceção do ângulo de
66
coleta, que foi entre 3 e 75º (2θ). Realizou-se também um ensaio químico, reação de
metátese, entre uma porção da eflorescência e ácido acético. O objetivo deste ensaio
foi verificar a formação de bolhas (efervescência) na reação, caracterizando a
presença de carbonato. O ensaio foi realizado no Laboratório de Ciências Químicas
(LCQUI/UENF).
A Figura 3.12 apresenta o aspecto de um corpo de prova com eflorescência.
Figura 3.12 - Corpo de prova carbonatado (eflorescência).
3.2.2.2. Resistência à compressão
Para a avaliação da resistência à compressão foram moldados 3 corpos de
prova cilíndricos com 50 mm de diâmetro e 100 mm de altura, para cada argamassa.
Neste estudo inicial os moldes utilizados foram confeccionados em madeira e cano de
PVC (Figura 3.13). A confecção dos moldes foi necessária devido ao elevado número
de composições.
Figura 3.13 - Molde de PVC e madeira.
67
Os corpos de prova foram moldados em 4 camadas. Cada camada recebeu 25
golpes com o soquete metálico. Após, os corpos de prova foram submetidos a 30
golpes na mesa de adensamento. Por fim, procedeu-se com a arrasadura da
argamassa nos moldes, seguida pela limpeza dos mesmos.
Os corpos de prova permaneceram em superfície plana e em condições de
laboratório (± 20ºC) até a desmoldagem aos 3 dias. Após a desmoldagem, foram
curados nas mesmas condições anteriores, porém envoltos com filme plástico para se
evitar a perda de água para o ambiente (Figura 3.14).
Figura 3.14 - Corpos de prova envoltos em filme plástico.
Para uma melhor caracterização da resistência à compressão de cada
argamassa os corpos de prova foram rompidos aos 7 e 28 dias.
Vale ressaltar que neste trabalho todos os ensaios de resistência à compressão
axial, cujos corpos de prova eram cilíndricos, foram realizados em uma prensa
hidráulica da marca SOLOTEST (Figura 3.15), com capacidade nominal de 1000 kN
e visor digital.
Figura 3.15 - Prensa hidráulica
68
3.2.3. Caracterização química das argamassas
Após o resultado da caracterização física das argamassas, a série com as
maiores resistências à compressão foi avaliada quimicamente por meio dos ensaios
de difração de raios X (DRX), análise térmica diferencial (ATD) e análise
termogravimétrica (ATG). Os equipamentos e as condições de ensaio utilizados são
os mesmos do item 3.1.1.1.
3.2.4. Estudos adicionais da argamassa geopolimérica
3.2.4.1. Variação das condições de cura
Após a avaliação das 4 séries, a melhor foi selecionada. Das 5 argamassas da
melhor série, 3 foram submetidas a uma nova avaliação de resistência à compressão
aos 7 dias. O método de confecção dos corpos de prova e os equipamentos utilizados
são os mesmos do item 3.2.2.2. Entretanto, novas condições de cura (cura úmida e
cura térmica) foram aplicadas. O tempo de cura nas duas modalidades (da
desmoldagem à ruptura) foi cerca de 90 horas.
A cura úmida se deu em recipiente com água de rede de abastecimento, cuja
altura era suficiente para cobrir os corpos de prova. Nesta modalidade de cura as
amostras não foram envoltas em filme plástico. Os corpos de prova foram retirados
da água cerca de 6 horas antes da ruptura.
A cura térmica foi realizada em uma estufa de secagem da marca SOLAB
(Figura 3.16) à temperatura constante de 60ºC. A escolha da temperatura se baseou
nos trabalhos de Chen et al. (2016) e Villarreal et al. (2011), em que ambos trabalhos
constataram que a melhor temperatura de cura para geopolímeros à base de MC foi
de 60ºC.
Nesta modalidade de cura as amostras foram envoltas em filme plástico. Os
corpos de prova foram retirados da estufa, para que atingissem a temperatura
ambiente, cerca de 6 horas antes da ruptura.
69
Figura 3.16 - Estufa para cura térmica.
3.2.4.2. Variação dos materiais
ÁGUA DA REDE DE ABASTECIMENTO
As mesmas argamassas que tiveram as condições de cura alteradas foram
analisadas variando-se a água utilizada. Ao invés da água destilada, utilizou-se água
da rede de abastecimento.
O uso da água de rede de abastecimento se justifica para um futuro emprego
real da argamassa geopolimérica, pois seria mais barata e de fácil obtenção.
Entretanto, a geopolimerização pode ser afetada pelos compostos químicos (cloretos,
fluoretos, sulfatos etc.) presentes na água da rede de abastecimento.
A cura destas argamassas foi feita em condições de laboratório (± 20ºC). Os
corpos de prova foram rompidos aos 7 dias. O método de confecção dos corpos de
prova e os equipamentos utilizados são os mesmos do item 3.2.2.2.
AREIA NORMAL BRASILEIRA
Além dos ensaios já citados, um estudo complementar foi realizado na melhor
argamassa escolhida das 20 inicialmente estudadas. Em vez da areia de rio lavada,
utilizou-se areia normal brasileira.
Este estudo se embasou na possibilidade de contaminação da areia de rio
lavada, e sua possível influência na geopolimerização. A areia normal brasileira é
normatizada pela NBR 7214 (ABNT, 2015) e segue um padrão de qualidade elevado,
70
tendo reduzido teor de impurezas e contaminantes. Além disso, a areia de rio utilizada
nas composições foi passada na peneira ABNT 16 (1,18 mm). Já a areia normal
brasileira é dividida em 4 frações granulométricas diferentes ABNT 16 (1,18 mm), 30
(0,6 mm), 50 (0,3 mm) e 100 (0,15 mm). Assim, foi possível também avaliar a
influência da granulometria da areia na resistência à compressão das argamassas.
Foram confeccionadas 5 argamassas da melhor composição, 1 para cada
fração granulométrica da areia normal, totalizando 4, e 1 argamassa com uma mistura
das 4 frações (25% de cada fração).
A cura destas foi feita em condições de laboratório (± 20ºC). Os corpos de prova
foram rompidos aos 7 dias. O método de confecção dos corpos de prova e os
equipamentos utilizados são os mesmos do item 3.2.2.2.
3.2.5. Estudo da recalcinação do metacaulim
O uso do MC na geopolimerização só é possível devido à sua reatividade. Este
material, como já citado, é fruto de uma ativação térmica do mineral caulinita à cerca
de 550ºC. A transformação da caulinita em metacaulinita ocorre devido à
desidroxilação. A perda de hidroxila resulta em um colapso e desarranjo da estrutura
cristalina da caulinita, originando a estrutura amorfa da metacaulinita.
Quando um MC é bem calcinado, toda ou quase toda caulinita se transforma
em metacaulinita. Esta condição seria ideal para a geopolimerização. Porém, na
produção em escala industrial o controle da queima é difícil e, assim, o MC pode não
ser bem calcinado.
Neste trabalho foi utilizado um MC comercial e, apesar da DRX (Figura 3.2)
mostrar picos de caulinita já bem deteriorados, é possível que a requeima para
transformar esta caulinita remanescente em metacaulinita ocorra de maneira mais
satisfatória.
CALCINAÇÃO
Para este estudo tomou-se 9 amostras de MC com 500 gramas cada, e
calcinou-se cada uma com tempo e temperatura diferentes, a saber:
600ºC por 30 minutos, 60 minutos e 120 minutos;
700ºC por 30 minutos, 60 minutos e 120 minutos;
71
800ºC por 30 minutos, 60 minutos e 120 minutos.
O forno utilizado foi do tipo mufla da marca MAITEC modelo FL1300.
Para se estimar a melhora da reatividade do MC calcinado, realizou-se os
ensaios abaixo nas 9 amostras.
DIFRATOMETRIA DE RAIOS X
A DRX foi utilizada com o intuito de se identificar a presença ou não de caulinita
na amostra de MC recalcinado. As condições de ensaio e preparo das amostras foram
os mesmos descritos no item 3.1.1.1.
ÍNDICE DE ATIVIDADE POZOLÂNICA (IAP) COM A CAL
O IAP com a cal aos 7 dias foi utilizado para se estimar de forma indireta a
reatividade do MC. Um maior valor de IAP indica uma maior reatividade do MC
recalcinado e, consequentemente, um possível maior teor de metacaulinita.
Este ensaio seguiu o normatizado pela NBR 5751 (ABNT, 2015). Os
procedimentos de ensaio foram os mesmos descritos no item 3.1.1.1. Vale destacar
que foi utilizada a mesma quantidade de material, incluindo a água, em todos os IAP’s.
De posse dos resultados destes ensaios foi possível julgar a melhora ou não
da reatividade do MC após ser recalcinado.
Os resultados deste estudo são mostrados no Capítulo 4. Entretanto, pode-se
afirmar previamente que o MC não apresentou ganho de reatividade que justificasse
a confecção de novas argamassas.
3.2.6. Determinação da resistência à compressão em função da idade
A resistência à compressão da argamassa geopolimérica pode sofrer contínua
variação no tempo, principalmente nas primeiras idades, em virtude das reações
químicas decorrentes da geopolimerização.
Com o objetivo de se avaliar o aumento ou decréscimo da resistência à
compressão em função da idade, foram moldados 3 corpos de prova da melhor
composição para cada idade adotada.
Uma das principais características do geopolímero é seu rápido endurecimento.
Com isso, a fim de se ter uma caracterização mais detalhada, avaliou-se a resistência
72
à compressão da argamassa nas idades de 1h, 3h, 6h, 12h, 1 dia, 3 dias, 7 dias, 14
dias, 28 dias, 60 dias e 90 dias. Para este ensaio foram utilizados moldes metálicos
cilíndricos de 50 mm de diâmetro por 100 mm de altura (Figura 3.17).
Figura 3.17 - Moldes metálicos.
As condições, procedimentos e equipamentos de ensaio foram os mesmos do
item 3.2.2.2.
3.2.7. Classificação da argamassa geopolimérica
Com o objetivo de melhor caracterizar a argamassa geopolimérica, adotou-se
o preconizado na NBR13281 (ABNT, 2005). Esta norma especifica os requisitos
exigíveis para a argamassa utilizada em assentamento e revestimento de paredes e
tetos. A argamassa é classificada por sete ensaios. Estes ensaios também são
normatizados. A Tabela 3.8 mostra cada um dos ensaios e suas respectivas normas.
Tabela 3.8 - Requisitos NBR 13281 (ABNT, 2005).
Ensaio Norma
Determinação da densidade de massa no estado
fresco.
NBR 13278 (ABNT,
2005)
Determinação da retenção de água. NBR 13277 (ABNT,
2005)
Determinação da densidade de massa aparente no
estado endurecido.
NBR 13280 (ABNT,
2005)
Determinação da absorção de água por capilaridade
e do coeficiente de capilaridade.
NBR 15259 (ABNT,
2005)
73
Determinação da resistência potencial de aderência
à tração.
NBR 15258 (ABNT,
2005)
Determinação da resistência à tração na flexão. NBR 13279 (ABNT,
2005)
Determinação da resistência à compressão. NBR 13279 (ABNT,
2005)
A seguir faz-se uma breve apresentação de cada um desses ensaios.
3.2.7.1. Determinação da densidade de massa no estado fresco
O ensaio para determinação da densidade de massa no estado fresco é
normatizado pela NBR 13278 (ABNT, 2005).
Para a realização do ensaio utilizou-se um recipiente metálico da marca
SOLOTEST com 400 cm3 de volume (Figura 3.20). Por meio da Equação 3.5
confirmou-se o volume do recipiente.
𝑉𝑟 =𝑀𝑡−𝑀𝑟
𝜌𝑎 (3.5)
Onde:
𝑉𝑟 é o volume do recipiente vazio, em cm3;
𝑀𝑡 é a massa do recipiente totalmente cheio de água destilada, em g;
𝑀𝑟 é a massa do recipiente vazio, em g;
𝜌𝑎 é a densidade da água, igual a 1,0 g/cm3.
Figura 3.18 - Recipiente para determinação da densidade de massa no estado fresco.
74
O procedimento de mistura dos constituintes da argamassa obedeceu ao item
3.2.1.3. A argamassa foi colocada no recipiente em 3 camadas de altura
aproximadamente iguais, aplicando-se 20 golpes com a espátula na posição vertical
em cada camada. Posteriormente, efetuou-se 3 quedas do recipiente na mesa de
adensamento (flow-table). Ao final, rasou-se o recipiente com régua metálica e aferiu-
se sua massa (𝑀𝑐). A densidade de massa no estado fresco foi então calculada por
meio da Equação 3.6.
𝐴 =𝑀𝑐−𝑀𝑟
𝑉𝑟 (3.6)
Onde:
𝐴 é a densidade de massa da argamassa no estado fresco, em g/cm3;
𝑀𝑐 é a massa do recipiente contendo a argamassa, em g;
𝑀𝑟 é a massa do recipiente vazio, em g;
𝑉𝑟 é o volume do recipiente, em cm3.
3.2.7.2. Ensaio de determinação da retenção de água
O ensaio de determinação da retenção de água é normatizado pela NBR 13277
(ABNT, 2005).
O ensaio é realizado com a argamassa em seu estado fresco, e resume-se em
aferir a quantidade de água subtraída de uma porção de argamassa contida em um
funil de filtragem, após uma sucção realizada por meio de uma bomba de vácuo à
baixa pressão. O procedimento de mistura dos constituintes da argamassa obedeceu
ao item 3.2.1.3.
Para a realização do ensaio utilizou-se um funil de Buchner modificado, com
bomba de vácuo (Figura 3.23). Cabe salientar que o prato que compõe o equipamento
possui 20 mm de espessura, na tentativa de simular a espessura de revestimentos
em argamassa para paredes e tetos.
Inicialmente o prato do equipamento é colocado sobre o funil e sobre este um
disco de papel filtro levemente umedecido com água.
Com o intuito de se retirar o excesso de água presente no papel filtro, a bomba
de vácuo foi acionada por 90 segundos e fechada em seguida. Após, a massa do
conjunto prato e papel filtro foi aferida (𝑚𝑣).
75
Em seguida, preencheu-se o prato com a argamassa, e para adensá-la foram
aplicados, de maneira uniforme e distribuída, 16 golpes ao longo do perímetro e 21
golpes na parte central da amostra. O prato foi rasado com o uso de régua metálica
para se retirar o excesso de material.
A massa do conjunto (prato, papel filtro e argamassa) foi aferida ( 𝑚𝑎 ).
Posteriormente, a bomba de vácuo é acionada e com isso se aplica à amostra uma
sucção de 51 mm de mercúrio durante 15 minutos.
Figura 3.19 - Equipamento para determinação da retenção de água.
Ao final dos 15 minutos o prato é novamente retirado e a massa do conjunto
aferida (𝑚𝑠). A retenção de água da argamassa no estado fresco foi então calculada
por meio da Equação 3.10.
𝑅𝑎 = [1 −(𝑚𝑎−𝑚𝑠)
AF(𝑚𝑎−𝑚𝑣)] . 100
(3.10)
Sendo:
𝐴𝐹 =𝑚𝑤
m+ 𝑚𝑤 (3.11)
Onde:
𝑅𝑎 é a retenção de água, em %;
𝑚𝑎 é a massa do conjunto com argamassa, em g;
𝑚𝑠 é a massa do conjunto após a sucção, em g;
𝑚𝑣 é a massa do conjunto vazio, em g;
76
𝐴𝐹 é a relação água/argamassa fresca;
𝑚𝑤 é a massa total de água acrescentada à mistura, em g;
𝑚 é a soma das massas dos componentes anidros da argamassa, em g.
3.2.7.3. Determinação da densidade de massa aparente no estado endurecido
O ensaio de determinação da densidade de massa aparente no estado
endurecido é normatizado pela NBR 13280 (ABNT, 2005).
Foram fabricados três corpos de prova prismáticos com dimensões de 40 mm
× 40 mm × 160 mm (altura, largura, comprimento). O procedimento de mistura dos
constituintes da argamassa obedeceu ao item 3.2.1.3. Moldaram-se os corpos de
prova em duas camadas. Em cada camada foram aplicados 30 quedas na mesa de
adensamento. Os corpos de prova foram ensaiados aos 28 dias.
Aferiu-se com o auxílio de um paquímetro a altura (ℎ), largura (𝑙) e comprimento
(𝑐 ) dos corpos de prova (Figura 3.21). Foi tomado o cuidado de determinar tais
dimensões em mais de uma posição. Determinou-se também a massa (𝑚 ) com
resolução de 0,1 g de cada um deles.
A densidade de massa aparente no estado endurecido foi então calculada por
meio da Equação 3.7.
𝜌𝑎𝑝 = 1000 ×𝑚
ℎ.𝑙.𝑐 (3.7)
Onde:
𝜌𝑎𝑝 é a densidade de massa aparente no estado endurecido, em kg/m3;
𝑚 é a média das massas dos corpos de prova, em g;
ℎ. 𝑙. 𝑐 é o volume médio dos corpos de prova, em cm3, calculado a partir das
medidas da altura, largura e comprimento.
77
Figura 3.20 – Corpos de prova para determinação da densidade de massa no estado endurecido.
3.2.7.4. Determinação da absorção de água por capilaridade e do coeficiente de capilaridade
O ensaio para determinação da absorção de água por capilaridade e do
coeficiente de capilaridade da argamassa no estado endurecido é normatizado pela
NBR 15259 (ABNT, 2005).
Foram preparados três corpos de prova prismáticos com dimensões de 40 mm
× 40 mm × 160 mm (altura, largura, comprimento). O procedimento de mistura dos
constituintes obedeceu ao item 3.2.1.3. Moldaram-se os corpos de prova em duas
camadas. Em cada camada aplicou-se 30 quedas na mesa de adensamento. Os
corpos de prova foram ensaiados aos 28 dias.
As superfícies dos corpos de prova foram lixadas e limpas com pincel de cerdas
de náilon. Em seguida foi aferida a massa inicial (𝑚0) de cada corpo de prova. Os
corpos de prova prismáticos foram colocados em um recipiente com água com a face
quadrada sobre um suporte de borracha (E.V.A), evitando a molhagem de outras
superfícies. O nível de água foi mantido constante (5 ± 1 mm) acima da face em
contato com a água.
Após o contato com a água, determinou-se a massa de cada corpo de prova
aos 10 minutos (𝑚10) e aos 90 minutos (𝑚90). Vale ressaltar que cada corpo de prova
foi previamente enxugado com pano úmido antes de cada pesagem.
Por meio da Equação 3.8 calculou-se a absorção por capilaridade.
𝐴𝑡 =𝑚𝑡−𝑚0
16 (3.8)
Onde:
78
𝐴𝑡 é a absorção de água por capilaridade para cada tempo, em g/cm2;
𝑚𝑡 é a massa do corpo de prova em cada tempo (10 ou 90 min), em g;
𝑚0 é a massa inicial do corpo de prova, em g;
16 é a área da face do corpo de prova em contato com a água, em cm2.
Segundo a NBR 15259 (ABNT, 2005), o coeficiente de capilaridade (𝐶) é, por
aproximação, igual ao valor médio das diferenças de massa de cada corpo de prova
aos 10 e aos 90 min.
Por meio da Equação 3.9 calculou-se o coeficiente de capilaridade.
𝐶 = (𝑚90 − 𝑚10) (3.9)
onde:
𝐶 é o coeficiente de capilaridade, em g/dm2·min1/2.
A Figura 3.22 mostra a execução do ensaio.
Figura 3.21 - Ensaio de absorção de água por capilaridade.
3.2.7.5. Ensaio de determinação da resistência potencial de aderência à tração
O ensaio para determinação da resistência potencial à tração é normatizado
pela NBR 15258 (ABNT, 2005). O objetivo é determinar a tensão máxima suportada
pelo corpo de prova de revestimento, quando submetido a um esforço perpendicular
de tração, com taxa de carregamento constante. A referida norma também estipula
parâmetros para se avaliar a forma de ruptura do corpo de prova.
Para a execução do ensaio foi confeccionado um substrato-padrão atendendo
aos requisitos da NBR 14082 (ABNT, 2004). O substrato foi colocado na posição
horizontal sobre uma base plana e firme. Tomou-se o cuidado de se retirar com uma
escova com cerdas de náilon o excesso de pó do substrato.
79
Para a aplicação da argamassa sobre o substrato foi utilizado um gabarito de
madeira com profundidade uniforme de 18 ± 2 mm. A argamassa foi preparada e
vertida em duas etapas, e o procedimento de mistura dos constituintes obedeceu ao
item 3.2.1.3. A argamassa, após ser aplicada, foi pressionada contra o substrato de
forma a se eliminar vazios e garantir que toda a superfície do substrato fosse coberta.
Após, rasou-se a superfície com régua metálica, evitando-se alisar a superfície
para que não ficasse um acabamento liso ou queimado, e este prejudicasse a
aderência. O conjunto permaneceu na posição horizontal e em condições ambientais
de laboratório até o ensaio aos 28 dias.
Três dias antes do ensaio, efetuou-se 10 cortes na argamassa com serra copo
diamantada, adentrando cerca de 1,0 mm no substrato. Cada corte distou no mínimo
40 mm das bordas e 20 mm entre si. Dez pastilhas metálicas de 50 mm de diâmetro
(Figura 3.24) foram coladas com resina epóxi em cada área delimitada pelos cortes.
Figura 3.22 - Pastilhas para ensaio de aderência à tração.
Para a aplicação do esforço perpendicular de tração utilizou-se um
equipamento da marca SOLOTEST (Figura 3.25).
Figura 3.23 - Ensaio de aderência à tração
Para se determinar a resistência potencial de aderência à tração (Equação
3.12) utiliza-se a carga de ruptura (𝑃𝑖), em N, fornecida pelo equipamento, e a área
superficial (𝐴𝑖), em mm2, de cada corpo de prova. O resultado será a média destes
valores.
80
𝑅𝑖 =𝑃𝑖
𝐴𝑖
(3.12)
onde:
𝑅𝑖 é a resistência potencial de aderência à tração, em MPa;
𝑃𝑖 é a carga de ruptura, em N;
𝐴𝑖 é a área do corpo de prova, em mm2.
Foi avaliada também a forma de ruptura de cada corpo de prova. A Tabela 3.9
caracteriza cada uma, conforme NBR 15258 (ABNT, 2005).
Tabela 3.9 - Tipos de ruptura no ensaio de aderência à tração.
Símbolo Tipo de ruptura
S Ruptura no substrato
S/A Ruptura na interface
substrato/argamassa
A Ruptura na argamassa
F Falha na colagem da
pastilha metálica
3.2.7.6. Determinação da resistência à tração na flexão e resistência à compressão
Os ensaios de resistência à tração na flexão e resistência à compressão são
normatizados pela NBR 13279 (ABNT, 2005).
Foram confeccionados 3 corpos de prova prismáticos para cada idade com
dimensões de 40 mm × 40 mm × 160 mm (altura, largura, comprimento). O
procedimento de mistura dos constituintes obedeceu ao item 3.2.1.3. Moldaram-se os
corpos de prova em duas camadas. Em cada camada aplicou-se 30 quedas na mesa
de adensamento.
Os corpos de prova foram rompidos, tanto à flexão como à compressão, aos
28 dias. Para a determinação da resistência à tração na flexão, utilizou-se uma
máquina universal da marca EMIC do Laboratório de Engenharia Civil (LECIV/UENF).
O corpo de prova foi posicionado no dispositivo de apoio (Figura 3.18) e,
posteriormente, aplicou-se uma carga de 50 ± 10 N/s até sua ruptura.
81
Figura 3.24 - Determinação da resistência à tração na flexão.
De posse da carga última de ruptura de cada corpo de prova, utilizou-se a
Equação 3.13 para se determinar a resistência à tração na flexão. O resultado
representativo da argamassa é a média das resistências do trio de amostras.
𝑅𝑓 =1,5 𝐹 𝐿
403
(3.13)
Onde:
𝑅𝑓 é a resistência à tração na flexão, em MPa;
𝐹 é a carga aplicada verticalmente, em N;
𝐿 é a distância entre os apoios, em mm.
Para a determinação da resistência à compressão foram utilizadas as metades
dos corpos de prova do ensaio de flexão (Figura 3.19). O corpo de prova com
dimensões de 10 mm × 40 mm × 40 mm (altura, largura, comprimento) foi
posicionado entre dois suportes e, posteriormente, aplicou-se uma carga de 500 ± 50
N/s até sua ruptura.
Figura 3.25 - Determinação da resistência à compressão.
82
De posse da carga última de ruptura de cada corpo de prova, utilizou-se a
Equação 3.14 para se determinar a resistência à compressão. O resultado
representativo da argamassa é a média das resistências do trio de amostras.
𝑅𝑐 =𝐹𝑐
1600 (3.14)
Onde:
𝑅𝑐 é a resistência à compressão, em MPa;
𝐹𝑐 é a carga máxima aplicada, em N;
1600 é a área da seção quadrada considerada no dispositivo de carga (40 mm
× 40 mm), em mm2.
83
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1. SOLUÇÃO ATIVADORA ALCALINA
4.1.1. pH da solução
A Tabela 4.1 apresenta o pH teórico das soluções com 100% de NaOH e 100%
de KOH a 20ºC.
As soluções de NaOH apresentaram maior molalidade quando comparadas
com as de KOH. Esse fato ocorre porque a massa molar do NaOH (40 g/mol) é menor
do que a do KOH (56,1 g/mol). As argamassas N 1:0,25:0:1:0,35 e K 1:0:0,25:1:0,35,
por exemplo, possuem em suas soluções ativadoras proporcionalmente a mesma
massa de água e de hidróxido. Entretanto, como o NaOH possui menor massa molar,
a solução da argamassa N 1:0,25:0:1:0,35 terá maior número de mols e, portanto,
maior molalidade.
Tabela 4.1 - pH teórico das soluções com 100% de NaOH e 100% de KOH a 20ºC.
Composição Molalidade
(mols·kg-1) Equação de tendência
Molaridade
(mols·l)
pH
(20ºC)
N 1:0,40:0:1:0,35 20,41
y = - 0,0116x2
+ 1,0558x - 0,0475
16,67 15,22
N 1:0,35:0:1:0,35 18,62 15,59 15,19
N 1:0,30:0:1:0,35 16,67 14,33 15,16
N 1:0,25:0:1:0,35 14,20 12,61 15,10
K 1:0:0,40:1:0,35 14,55
y = - 0,0144x2
+ 1,0076x - 0,0002
11,61 15,06
K 1:0:0,35:1:0,35 13,27 10,84 15,03
K 1:0:0,30:1:0,35 11,88 9,94 15,00
K 1:0:0,25:1:0,35 10,13 8,73 14,94
De acordo com a Tabela 4.1, uma molalidade da solução maior do que 10 já
resulta em um pH maior do que 14. Este valor já é o limite para o pH corriqueiramente
utilizado. Entretanto, em soluções de elevada molalidade, principalmente de bases
fortes (NaOH e KOH), é comum o pH ultrapassar esse limite (THE THEORY..., 2012).
A relação entre o pH experimental da solução ativadora alcalina e sua
composição está apresentada na Figura 4.1.
84
Figura 4.1 – pH experimental das soluções ativadoras alcalinas a 20ºC.
O pH das soluções (Figura 4.1) decai conforme se aumenta o teor de NaOH.
Este comportamento é típico de um erro do equipamento conhecido por erro alcalino
(ou erro de sódio). Quando a concentração de Na+ (ou outros cátions monovalentes)
é muito maior do que a de H+, o eletrodo identifica o Na+ como se fosse H+ e, com
isso, o pH medido torna-se menor do que o pH verdadeiro (HARRIS, 2007). Em
comparação com o sódio, os íons de lítio produzirão um erro maior, enquanto o efeito
dos íons de potássio é bem menor (THE THEORY..., 2012). Apesar dos íons K+ terem
efeito menor, na série 0,40, a molalidade é muito elevada e, com isso, o equipamento
(Figura 4.2) fornece um pH menor até mesmo para as soluções com 100% de KOH.
Figura 4.2 – Leitura do pH da solução ativadora alcalina (0,35/100%KOH).
Para Khale e Chaudhary (2007), o pH da solução alcalina deve estar entre 13
e 14 para a formação de geopolímeros com melhor resistência mecânica. Assim, com
os valores do pH teórico e o conhecimento da existência do erro alcalino, pode-se
85
inferir que tanto as soluções com maior teor de NaOH quanto as com maior teor de
KOH atingiram valores de pH próximos a 14. Com isso, atingiram valores suficientes
para a dissolução do precursor e, consequentemente, geopolimerização.
4.1.2. Viscosidade da solução
A viscosidade teórica das soluções ativadoras alcalinas com 100% de NaOH e
100% de KOH é mostrada na Tabela 4.2.
Tabela 4.2 - Viscosidade teórica das soluções ativadoras alcalinas com 100% de NaOH e 100% de KOH.
Composição Molalidade
(mols·kg-1) Equação de tendência
Viscosidade
(mPas·s)
N 1:0,40:0:1:0,35 20,41
y = 0,1538x2
- 0,4972x + 1,6699
55,60
N 1:0,35:0:1:0,35 18,62 45,72
N 1:0,30:0:1:0,35 16,67 36,11
N 1:0,25:0:1:0,35 14,20 25,64
K 1:0:0,40:1:0,35 14,55
y = 0,0201x2
+ 0,019x + 1,0808
5,61
K 1:0:0,35:1:0,35 13,27 4,87
K 1:0:0,30:1:0,35 11,88 4,14
K 1:0:0,25:1:0,35 10,13 3,34
Observa-se que as soluções de NaOH apresentaram maiores viscosidades do
que as de KOH (Tabela 4.2). Essa diferença se torna ainda mais expressiva com o
aumento da molalidade da solução. Logo, a Tabela 4.2 mostra que, ao se adotar
relações em massa na solução alcalina, negligencia-se o efeito da molalidade na
viscosidade da solução. Ao se comparar as argamassas com mesma formulação, N
1:0,40:0:1:0,35 e K 1:0:0,40:1:0,35, por exemplo, tem-se que a molalidade da solução
ativadora alcalina daquela é somente 1,4 vezes maior do que desta, porém a
viscosidade é aproximadamente 10 vezes maior.
Assim, com base nos dados teóricos (Tabela 4.2), pode-se inferir que um
aumento do teor de NaOH acarreta em aumento da viscosidade da solução ativadora
alcalina. Por exemplo, a solução com 70%NaOH e 30%KOH é mais viscosa do que a
solução com 50%NaOH e 50%KOH que, por sua vez, é mais viscosa do que a solução
com 30%NaOH e 70%KOH.
86
Uma solução ativadora alcalina mais viscosa confere maior viscosidade à
argamassa geopolimérica. Rangel (2017) ativou argamassas geopoliméricas à base
de metacaulim (MC) com soluções monocomponentes de NaOH e KOH. O
pesquisador constatou que as argamassas ativadas por NaOH apresentaram maiores
viscosidades quando comparadas às ativadas por KOH. Além disso, para Patankar et
al. (2014), a viscosidade da argamassa geopolimérica é incrementada pelo aumento
do teor de NaOH na solução ativadora. O mesmo pensamento é partilhado por
Tabassum e Khadwal (2015).
Conclui-se, portanto, que a escolha do tipo de ativador influencia a viscosidade
da solução ativadora alcalina, sendo esta maior com o uso de NaOH. Além disso, o
aumento da concentração do ativador (ou molalidade) também aumenta a viscosidade
da solução ativadora alcalina e, consequentemente, a viscosidade da argamassa
geopolimérica.
4.2. ESTUDO DAS COMPOSIÇÕES
O objetivo do estudo das composições é obter a melhor argamassa com base
nos seguintes critérios: trabalhabilidade, presença de eflorescência e resistência à
compressão.
4.2.1. Trabalhabilidade
ÍNDICE DE CONSISTÊNCIA
O índice de consistência das argamassas geopoliméricas é mostrado na Figura
4.3.
Figura 4.3 – Índice de consistência das argamassas geopoliméricas.
87
De acordo com a Figura 4.3, as argamassas ativadas com 100%NaOH
apresentaram os menores índices de consistência e, com a diminuição do teor de
NaOH na composição da solução ativadora alcalina, ocorre aumento do índice de
consistência. Este fato decorre da diferença na viscosidade da solução ativadora
alcalina de cada argamassa (Tabela 4.2). Como já mencionado, as soluções de
NaOH, para uma mesma composição, são bem mais viscosas do que as de KOH.
Novamente, como exemplo, a argamassa N 1:0,40:0:1:0,35 possui solução ativadora
com viscosidade de 55,60 mPa·s; já a solução da K 1:0,40:0:1:0,35 possui 5,61
mPa·s. Essa grande disparidade reflete na diferença de mais de 50 mm entre os
índices de consistência dessas argamassas.
Patankar et al. (2015) ativaram cinza volante com uma solução de NaOH e
silicato de sódio. Constataram que o aumento da concentração de NaOH favorece o
ganho de resistência mecânica; entretanto, observaram que o geopolímero se tornou
mais viscoso e perdeu trabalhabilidade.
Rangel (2017) ativou argamassas geopoliméricas à base de MC com soluções
monocomponentes de NaOH e KOH. O pesquisador determinou o índice de
consistência de algumas delas (Figura 4.4), em que a relação ativador/precursor foi
de 0,40 e a relação líquido/sólido de 0,38. Constatou que, para uma mesma
composição, a argamassa ativada por NaOH teve menor índice de consistência em
comparação à ativada por KOH.
Figura 4.4 – Índice de consistência de argamassas ativadas por NaOH ou KOH (adaptado de RANGEL, 2017).
88
Outro ponto importante é que o aumento da relação ativador/precursor, de 0,25
a 0,40, gerou aumento do índice de consistência (Figura 4.5), apesar do aumento da
viscosidade da solução.
Figura 4.5 – Relação entre índice de consistência e relação ativador/precursor para as argamassas com 100%NaOH e 100%KOH.
Este comportamento ocorre porque há interdependência entre as relações
utilizadas na formulação das argamassas (Tabela 4.3). Para se aumentar a relação
ativador/precursor é necessário o aumento da massa de hidróxido; entretanto, este
aumento reduz a relação água/sólido. Assim, há necessidade de se aumentar,
também, a massa de água para que a relação água/sólido permaneça constante.
Logo, há um aumento da massa de hidróxido e da massa de água, acarretando no
aumento do volume final da solução (hidróxido + água).
Tabela 4.3 - Interdependência entre as relações utilizadas na formulação da argamassa.
Ativador/precursor Água/sólido
𝑵𝒂𝑶𝑯 + 𝑲𝑶𝑯
𝑀𝑒𝑡𝑎𝑐𝑎𝑢𝑙𝑖𝑚
𝐻2𝑂
𝑀𝑒𝑡𝑎𝑐𝑎𝑢𝑙𝑖𝑚 + 𝑵𝒂𝑶𝑯 + 𝑲𝑶𝑯
O maior volume de solução ativadora alcalina em relação ao precursor (MC)
provoca maior fluidez à argamassa. Caso as relações não fossem interdependentes,
um aumento do teor de hidróxido levaria ao aumento da molalidade da solução
alcalina e, com isso, a solução seria mais viscosa e a argamassa teria menor índice
de consistência. Assim, para se comparar a influência da composição da solução
ativadora alcalina no índice de consistência é necessária a análise das argamassas
de uma mesma série, ou seja, de mesma relação ativador/precursor. Aliás, em todas
as séries (0,25, 0,30, 0,35, 0,40) o aumento do teor de NaOH implicou no decréscimo
89
do índice de consistência (Figura 4.3), corroborando a ideia da maior contribuição da
perda de trabalhabilidade pelo uso de NaOH em vez de KOH.
Para se mensurar a trabalhabilidade de uma argamassa, o índice de
consistência determinado em mesa de espalhamento é um dos métodos mais
difundidos. Entretanto, a NBR 13281 (ABNT, 2005) não estipula um valor ou faixa
ideal para o índice de consistência de argamassas de revestimentos de paredes e
tetos. Além do mais, alguns pesquisadores (NAKAMURA e CINCOTTO, 2004;
BANFILL, 2006; CASCUDO e CARASEK, 2007) questionam seu emprego para ampla
gama de argamassas atualmente existentes no mercado. Cabe salientar, que a
correlação feita entre trabalhabilidade e consistência é imprecisa, visto que as
argamassas geralmente consideradas com boa trabalhabilidade pelos profissionais
(pedreiros) dependem do teor de ar incorporado, e não do índice de consistência em
si (BAUER, 2005; CAVANI et al., 1997). Por exemplo, alto teor de finos pode conferir
à argamassa menor índice de consistência, levando a crer que esta possui baixa
trabalhabilidade; porém, esta mesma argamassa pode possuir grande facilidade de
manuseio e regularização (GOMES, 1995; SILVA e CAMPITELI, 2006). Assim, julgar
a trabalhabilidade da argamassa geopolimérica com base no índice de consistência
pode ser um erro. Por exemplo, as argamassas com relação ativador/precursor de
0,35 e 0,40 apresentaram boa trabalhabilidade, com fácil manuseio e regularização,
inclusive a argamassa K 1:0:0,40:1:0,35 apresentou elevada trabalhabilidade, sendo
até mesmo fluida demais, apesar de seu índice de consistência ter sido somente de
210 mm.
SQUEEZE-FLOW
O método do squeeze-flow é uma boa alternativa ao índice de consistência, por
permitir caracterização mais completa da reologia da argamassa, sendo mais
confiável para se mensurar a trabalhabilidade (SILVA et al., 2005; CARDOSO et al.,
2010). Neste ensaio é possível variar a taxa de cisalhamento e também a magnitude
das deformações, fornecendo um perfil do comportamento reológico do material, e
não somente um valor, como no índice de consistência.
O comportamento reológico das argamassas, obtido pelo método do squeeze-
flow, é dado por uma curva de carga aplicada versus deslocamento. A NBR15839
(ABNT, 2010) orienta a limitar o deslocamento a 9,0 mm e a carga a 1 kN.
90
As argamassas ensaiadas pelo método do squeeze-flow foram as que
continham 100%NaOH ou 100%KOH. Este ensaio foi realizado como um
complemento ao índice de consistência, não sendo realizado para todas as
argamassas, principalmente devido ao limite de tempo. Os resultados obtidos para
este ensaio são mostrados na Figura 4.6.
Figura 4.6 – Método do squeeze-flow para as argamassas geopoliméricas com 100%NaOH e 100%KOH.
Por meio da curva característica de cada argamassa é possível inferir a
trabalhabilidade. Cargas de compressão maiores para um mesmo deslocamento
indicam argamassas mais viscosas, e maior viscosidade reflete em menor
trabalhabilidade (ANTUNES et al., 2005; CARDOSO, 2009). Portanto, menor
inclinação da curva indica maior deslocamento e, consequentemente, menor
viscosidade da argamassa, o que implica em maior facilidade de aplicação e
regularização.
Ao se comparar as Figuras 4.5 e 4.6 observa-se semelhança entre os
resultados do índice de consistência e os do squeeze-flow. Com o aumento do índice
de consistência (Figura 4.5) houve redução da inclinação da curva no squeeze-flow
(Figura 4.6), tanto para a série ativada por NaOH quanto para a ativada por KOH. A
argamassa N 1:0,40:0:1:0,35 foi a única ativada por NaOH com menor viscosidade do
que aquela ativada por KOH (K 1:0:0,25:1:0,35). Como já citado, o maior volume de
solução da argamassa N 1:0,40:0:1:0,35 contribuiu para este comportamento.
91
Somente a curva da argamassa N 1:0,25:0:1:0,35 foi limitada pela carga, sendo
todas as demais limitadas pelo deslocamento, denotando baixa viscosidade.
A Figura 4.7 mostra a carga máxima apresentada por cada argamassa. Quando
se comparam os pares de argamassas com mesma relação ativador/precursor,
notam-se os menores valores de carga máxima para aquelas ativadas por KOH, ou
seja, as argamassas ativadas por KOH apresentaram maior deslocamento, atingindo
antes do que as ativadas por NaOH os 9 mm prescritos pela norma, denotando maior
trabalhabilidade.
Assim, o tipo de ativador tem significativa influência na viscosidade da solução
ativadora alcalina, que por sua vez reflete na viscosidade da argamassa geopolimérica
e, consequentemente, na trabalhabilidade.
Figura 4.7 – Carga máxima das argamassas geopoliméricas no método do squeeze-flow.
Logo, tanto no índice de consistência quanto no método do squeeze-flow as
argamassas ativadas por NaOH, ou com maior teor deste, apresentaram maiores
viscosidades e, consequentemente, menor trabalhabilidade.
TRABALHABILIDADE NA CONFECÇÃO DOS CORPOS DE PROVA
Durante a confecção dos corpos de prova, a trabalhabilidade foi mensurada por
meio da facilidade de manuseio, aplicação e adensamento, conforme mostra a Tabela
4.4.
92
Tabela 4.4 - Trabalhabilidade das argamassas geopoliméricas durante a confecção dos corpos de prova.
Ativador/
precursor
Composição da solução ativadora alcalina
100% NaOH 70% NaOH/
30%KOH
50%NaOH/
50%KOH
30%NaOH/
70%KOH 100% KOH
0,25 Baixa Baixa Baixa Baixa Média
0,30 Baixa Baixa Baixa Média Média
0,35 Média Média Alta Alta Alta
0,40 Alta Alta Alta Alta Alta
A trabalhabilidade das argamassas durante a confecção dos corpos de prova
segue duas tendências já observadas no índice de consistência e no método do
squeeze-flow. A primeira é o aumento da trabalhabilidade conforme se aumenta o teor
de KOH, fato atribuído à menor viscosidade do KOH; e a segunda é o aumento da
trabalhabilidade conforme se aumenta a relação ativador/precursor, fato motivado
pelo aumento do volume da solução ativadora alcalina.
4.2.2. Eflorescência
De acordo com a Figura 4.8, a eflorescência aumentou com o aumento do teor
de NaOH e da relação ativador/precursor. As únicas composições que não
apresentaram eflorescência, independentemente da relação ativador/precursor, foram
as ativadas com as soluções de 30% NaOH + 70%KOH e 100%KOH.
Figura 4.8 – Presença de eflorescência nos corpos de prova aos 14 dias após a moldagem.
93
O aumento da eflorescência quando se utiliza um maior teor de NaOH é devido
às diferenças entre os íons Na+ e K+. Segundo Duxson et al. (2006), a eflorescência
nos geopolímeros ativados com NaOH é bem mais intensa e perceptível que nos
ativados por KOH. A fraca ligação química do Na+ na estrutura do geopolímero é o
motivo da elevada mobilidade deste cátion. Assim, os sistemas geopoliméricos
ativados por Na+ são propensos a sofrerem eflorescência (BORTNOVSKY et al.,
2008). O K+, por possuir ligação química forte à estrutura do geopolímero, tem sua
mobilidade reduzida e, também, cristais de carbonato de potássio geralmente são
menos evidentes visualmente do que os cristais de carbonato de sódio
(SZKLORZOVÁ e BÍLEK, 2008; ŠKVÁRA et al., 2008). Outra possível causa da maior
mobilidade do Na+ em relação ao K+ na estrutura geopolimérica é que o Na+ tem menor
peso molecular e raio iônico do que o K+; com isso, esse cátion tem maior facilidade
de migração dentro da estrutura do geopolímero.
As composições com 70%KOH + 30%NaOH, apesar de possuírem NaOH, não
apresentaram eflorescência, mesmo na série com maior relação ativador/precursor
(0,40). Isso ocorreu possivelmente devido às citadas características do K+, que podem
ter favorecido a criação de uma estrutura do tipo “gaiola”, que aprisionou o Na+.
Entretanto, não se pode afirmar com infalibilidade que a ausência de eflorescência
nas composições com 30% NaOH é devido à maior quantidade de KOH, já que o teor
de sódio foi tão reduzido que pode ter sido consumido totalmente na
geopolimerização. Quando a relação ativador/precursor é calculada somente com o
sódio (NaOH/MC), na composição com relação ativador/precursor igual a 0,40, obtém-
se o valor de 0,12 (Tabela 3.7). Rangel (2017), ao estudar argamassas geopoliméricas
à base de metacaulim ativadas por NaOH, constatou que as argamassas com relação
ativador/precursor abaixo de 0,20 não apresentavam eflorescência. Assim, mais
estudos são necessários para confirmar o efeito do KOH na redução da eflorescência
causada pelo NaOH.
O crescimento da eflorescência quando se aumentou a relação
ativador/precursor é mais simples de ser entendido, sendo basicamente devido à
maior concentração de álcalis no sistema e, consequentemente, o excedente do metal
alcalino na estrutura tem maior propensão a ser lixiviado e posteriormente sofrer
carbonatação.
94
A Figura 4.9A mostra os corpos de prova com relação ativador/precursor igual
a 0,35, logo após a retirada do filme plástico e imediatamente antes da ruptura aos 7
dias. Vale ressaltar que o filme plástico impede o contato com o CO2 do ambiente e,
com isso, evita-se a eflorescência. Já a Figura 4.9B mostra os mesmos corpos de
prova 7 dias após a ruptura. Observa-se que o aumento do teor de NaOH acarretou
em mudança de coloração do geopolímero endurecido, visto que, durante a
moldagem, todos os corpos de prova tinham a mesma coloração. O aspecto mais
escurecido do geopolímero com maior teor de NaOH, como se ainda estivesse úmido,
foi devido à exsudação (Figura 4.9A). A maior exsudação retrata a maior saída de
solução ativadora alcalina do sistema e, com isso, os íons Na+ lixiviados entram em
contato com o CO2 do ambiente e, posteriormente, sofrem carbonatação. Segundo
Rangel (2017), um dos fatores que possivelmente contribuem para a reduzida
exsudação apresenta pelos geopolímeros ativados por KOH é a maior esfera de
hidratação do íon K+ em relação ao Na+. A esfera de hidratação retém, por atração
elétrica, moléculas de água ao redor do íon. Assim, como o K+ possui uma ligação
mais forte à estrutura do geopolímero acaba por reter consigo um maior teor de água
na estrutura, reduzindo a esxudação.
Figura 4.9 – Mudança na coloração dos corpos de prova (série 0,35).
Vale ressaltar que a maior molalidade das soluções de NaOH potencializou a
eflorescência. Contudo, de acordo com a Tabela 4.2, a composição N 1:0,25:0:1:0,35
possui molalidade discretamente inferior a da composição K 1:0:0,40:1:0,35, e mesmo
95
assim apresentou considerável eflorescência, enquanto que a ativada por KOH não
apresentou (visualmente) nenhuma.
A Figura 4.10 mostra a DRX da eflorescência. Observa-se a presença de
carbonato de sódio hidratado (Na2CO3.H2O), confirmando que a eflorescência é
devido à saída do ativador não consumido na geopolimerização, que ao entrar em
contato com o CO2 da atmosfera reage e gera carbonato de sódio (barrilha ou natrão).
Figura 4.10 – DRX da eflorescência.
A existência de carbonato de sódio foi confirmada também pelo ensaio químico
(reação de metátese). O ácido acético ao ser adicionado à amostra de eflorescência
gerou borbulhas (efervescência). Isto ocorre porque na reação de metátese entre o
carbonato de sódio (Na2CO3) e o ácido acético (CH3COOH) há a formação de ácido
carbônico (H2CO3) que, por ser muito instável, rapidamente se decompõe em CO2 e
água. A Equação 4.1 mostra a reação entre o carbonato de sódio e o ácido acético, e
a Equação 4.2 apresenta a decomposição do ácido carbônico.
𝑁𝑎2𝐶𝑂3 + 2𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝐻 → 𝐻2𝐶𝑂3 + 2𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝑁𝑎 (4.1)
𝐻2𝐶𝑂3 → 𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂 (4.2)
96
Costa et al. (2013) ativaram metacaulim com solução alcalina de NaOH, e
observaram, no ensaio de DRX das amostras, a presença de carbonato de sódio
hidratado. Segundos os pesquisadores, a ocorrência desta fase é devido à exsudação
de sódio da amostra e consequente carbonatação. Azevedo et al. (2017) e Vargas et
al. (2010) ativaram cinza volante com uma solução alcalina de NaOH. Os
pesquisadores também constataram a presença de carbonato de sódio na superfície
das amostras, o que definiram como sendo eflorescência.
4.2.3. Resistência média à compressão
As Figuras 4.11 a 4.14 apresentam a resistência média à compressão das
argamassas geopoliméricas aos 7 e 28 dias. Ao se analisar a resistência média à
compressão das argamassas é possível fazer três observações: a primeira é a
diferença (evolução/estagnação) na resistência das argamassas aos 7 e 28 dias; a
segunda é a maior resistência para as composições com relação ativador/precursor
de 0,35, e a última é o crescimento da resistência conforme se aumenta o teor de
NaOH, exceto para o comportamento mecânico diferenciado das argamassas com
relação ativador/precursor igual a 0,40.
Figura 4.11 – Resistência média à compressão axial das argamassas geopoliméricas (7 e 28 dias) com relação ativador/precursor igual a 0,25.
97
Figura 4.12 – Resistência média à compressão axial das argamassas geopoliméricas (7 e 28 dias) com relação ativador/precursor igual a 0,30.
Figura 4.13 – Resistência média à compressão axial das argamassas geopoliméricas (7 e 28 dias) com relação ativador/precursor igual a 0,35.
98
Figura 4.14 – Resistência média à compressão axial das argamassas geopoliméricas (7 e 28 dias) com relação ativador/precursor igual a 0,40.
Com relação à diferença de idade de ruptura, 7 e 28 dias, não foi verificada
alteração significativa na resistência média à compressão das argamassas.
Entretanto, com o aumento do teor de NaOH houve maior ganho de resistência
mecânica após os 7 dias. Esse fato está em consonância com os resultados
encontrados por Rangel (2017), que ao estudar argamassas geopoliméricas à base
de MC ativado por soluções monocomponentes de NaOH e KOH, constatou que em
idades mais avançadas as argamassas ativadas por NaOH tinham maior ganho de
resistência à compressão, enquanto as ativadas por KOH apresentaram quase a
totalidade da resistência final já aos 7 dias. A maior alcalinidade do KOH potencializou
a solubilização da sílica e alumina presentes no MC e, com isso, a cinética da reação
de geopolimerização foi acelerada, fazendo com que as argamassas ativadas por
KOH atingissem mais cedo resistência máxima à compressão.
A relação ativador/precursor é um dos principais parâmetros que podem
influenciar a resistência à compressão dos geopolímeros. Uma das funções do
ativador é garantir o elevado meio alcalino para a adequada solubilização da SiO2 e
da Al2O3 presentes no precursor. Com isso, uma baixa relação ativador/precursor
pode prejudicar a resistência mecânica, pois o baixo teor de ativador é insuficiente
para a adequada solubilização da SiO2 e Al2O3. Entretanto, o elevado teor de ativador
também é deletério à estrutura geopolimérica, visto que o excesso de ativador, ou
seja, o excesso de íons OH¯ e de íons do metal alcalino pode restringir a mobilidade
99
iônica na estrutura, dificultando a geopolimerização. Para Lee e Deventer (2002), o
excesso de ativador pode acelerar a reação geopolimérica e causar precocemente a
precipitação do gel aluminossilicato, acarretando em menor resistência mecânica.
Logo, no presente estudo, a relação ativador/precursor de 0,35 resultou nas
melhores resistências mecânicas, tanto aos 7 (Figura 4.15) quanto aos 28 dias (Figura
4.16), seguida pela relação 0,30, 0,25 e, por último, 0,40. A menor resistência
mecânica da série 0,40 mostra que o teor de ativador foi excessivo, e pelos motivos
já citados, prejudicou a resistência mecânica dessas argamassas.
Figura 4.15 – Comparação entre a resistência média à compressão axial das argamassas geopoliméricas aos 7 dias.
Figura 4.16 - Comparação entre a resistência média à compressão axial das argamassas geopoliméricas aos 28 dias.
100
Vale ressaltar que nas argamassas com maior teor de KOH (50, 70 e 100%) a
influência da relação ativador/precursor na resistência à compressão não foi muito
significativa, mostrando que as argamassas ativadas por NaOH são mais vulneráveis
à mudança desse parâmetro. Esses resultados estão em consonância com aqueles
obtidos por Hounsi et al. (2014) que, ao ativarem metacaulim com soluções compostas
(NaOH + silicato de sódio e KOH + silicato de sódio), constaram que o aumento da
molaridade da solução ativadora (4 a 12 M, efeito similar ao aumento da relação
ativador/precursor) causou nos geopolímeros à base de NaOH um aumento da
resistência à compressão até certo ponto (10 M), tendo elevada queda de resistência
mecânica (47%) a partir deste valor. Já nos geopolímeros à base de KOH, o aumento
da molaridade da solução ativadora não causou decréscimo de resistência mecânica,
mas somente um crescimento discreto e contínuo. Para aqueles pesquisadores, o
aumento da molaridade da solução de KOH também poderia ocasionar um
decréscimo de resistência mecânica; entretanto para molaridades bem mais elevadas
(≫ 12M). Além disso, a adição contínua de NaOH causou diminuição da relação
Si/Na. Esta diminuição resultou na mudança gradual no sistema químico, em que as
espécies com anéis maiores (estruturas complexas e polímeros de monossilicatos) se
transformaram em cadeias e espécies com anéis menores. A predominância de
espécies com anéis menores, juntamente com a alta concentração de NaOH, retardou
a etapa de policondensação e influenciou negativamente as propriedades mecânicas
dos geopolímeros à base de NaOH. Ressalta-se ainda que aqueles pesquisadores
não constataram alterações estruturais nos geopolímeros à base de KOH.
Uma última observação a ser feita com relação aos resultados desta
dissertação é o crescimento da resistência à compressão das argamassas com
mesma relação ativador/precursor, em função do aumento do teor de NaOH. Este fato
foi observado nas relações ativador/precursor iguais a 0,25, 0,30 e 0,35, mas não
ocorreu para a relação igual a 0,40, devido ao excesso de ativador. Para Rahim et al.
(2014), o tamanho iônico do Na+ (116 pm), por ser um pouco menor que o do K+ (152
pm), o torna mais reativo e, com isso, há uma potencialização da solubilização do
aluminossilicato. Com a maior solubilização, há a formação de mais oligômeros, que
resultarão em uma maior resistência à compressão. Eles acrescentam que o NaOH
pode produzir estruturas mais cristalinas em comparação ao KOH, e se essa estrutura
cristalina for bem estruturada, pode contribuir para a obtenção de maiores resistências
à compressão. Fernández-Jiménez et al. (2006) elucidam que os álcalis
101
(sódio/potássio) exercem papel regulador na cinética da reação de geopolimerização.
Com isso, o K+, por ter maior raio iônico do que o Na+, induz uma menor velocidade
de geopolimerização, acarretando na mais lenta evolução do gel aluminossilicato que,
por sua vez, pode gerar matrizes cimentícias com estruturas mais porosas e,
consequentemente, com menores resistências à compressão.
Vale destacar que a maior molaridade das soluções de NaOH (Tabela 4.1),
motivada pela menor massa molar do Na+, pode ter favorecido o ganho de resistência
mecânica. Entretanto, essa argumentação não se sustenta, pois a argamassa N
1:0,25:0:1:0,35 (100%NaOH) tem molaridade igual a 12,61 e atingiu 9,1 MPa aos 7
dias; já a argamassa K 1:0:0,40:1:0,35 (100%KOH) tem molaridade discretamente
inferior (11,61) e atingiu somente 4,3 MPa aos 28 dias. Assim, ao se comparar a
resistência à compressão de geopolímeros à base de NaOH e KOH, a diferença na
molaridade da solução ativadora alcalina não seria o parâmetro mais relevante.
4.2.4. Composição selecionada
Com base nos critérios pré-estabelecidos e discutidos anteriormente
(trabalhabilidade, eflorescência e resistência à compressão), uma única argamassa
foi eleita para ser submetida a novas avaliações.
Com relação à trabalhabilidade (índice de consistência, squeeze-flow e na
confecção dos corpos de prova), não foi apenas uma argamassa que apresentou
trabalhabilidade adequada, mas sim todas as argamassas com relações
ativador/precursor iguais a 0,35 e 0,40. Até mesmo algumas composições com maior
teor de KOH da série 0,30 poderiam ser utilizadas. Assim, a trabalhabilidade não foi
um parâmetro decisivo.
Por outro lado, com relação à eflorescência, todas as composições cuja
solução ativadora alcalina era composta por 30%NaOH + 70%KOH ou 100%KOH não
apresentaram eflorescência. Com isso, todas as demais já estariam excluídas com
base nesse critério.
Assim, cruzando a avaliação da trabalhabilidade com a da eflorescência, a
melhor argamassa seria aquela cuja solução ativadora alcalina é composta por
30%NaOH + 70%KOH ou 100%KOH e pertence às séries 0,30, 0,35 e 0,40. Portanto,
bastou buscar a maior resistência à compressão dentre as 6 composições possíveis.
Enfim, a argamassa selecionada foi a NK 1:0,105:0,245:1:0,35, com solução ativadora
alcalina composta por 30%NaOH + 70%KOH e relação ativador/precursor igual a
102
0,35. Essa composição atendeu aos três critérios estabelecidos, dispondo de
resistência à compressão de 6,0 MPa aos 7 dias.
4.3. CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA DA MELHOR SÉRIE
Tomando a resistência à compressão como critério a melhor série foi aquela
cuja relação ativador/precursor foi de 0,35. Vale lembrar, que a melhor composição
está incluída na melhor série.
DRX
A Figura 4.17 apresenta a DRX das argamassas geopoliméricas para a série
0,35.
Figura 4.17 - DRX das argamassas geopoliméricas para a série 0,35
Os difratogramas apresentam picos relevantes em diferentes intensidades,
sendo fases cristalinas usuais, como quartzo, micas, feldspatos e alguns tipos de
zeólitas; estes últimos formados pela mistura do MC com o ativador alcalino, de modo
que o tipo resultante dependerá do íon de metal alcalino utilizado – Na+, K+, Na+/K+
(CRIADO et al., 2010). Nas amostras com maior teor de NaOH há também a presença
de picos de carbonato de sódio. Na análise desses difratogramas a observação mais
importante está entre 20 e 35° (2θ), que é a presença do halo amorfo ou halo difuso;
que é comum em fases amorfas ou semicristalinas, como nos geopolímeros, quando
submetidos à difração de raios X. A intensidade dos picos depende da cristalização
103
das fases, o que pode ser atribuído à idade de cura ou a qualquer um dos parâmetros
anteriormente mencionados que causam variação nos geopolímeros.
ATG E ATD
A Figura 4.18 e 4.19 mostram, respectivamente, a ATG e a ATD das
argamassas geopoliméricas para a série 0,35.
Figura 4.18 - ATG das argamassas geopoliméricas para a série 0,35
Figura 4.19 - ATD das argamassas geopoliméricas para a série 0,35
Observa-se na Figura 4.18 que a maior porcentagem de perda de massa das
amostras ocorreram até a temperatura de 250ºC. Essa perda é devido à desidratação
(água adsorvida, absorvida, livre ou capilar) e é proporcional ao conteúdo inicial de
água na amostra. A desidratação é um evento endotérmico, que fica evidenciado pelo
104
pico na ATD entre 130 e 250ºC (Figura 4.19). Pode-se observar que a amostra com
100%NaOH apresentou a menor perda de massa por desidratação. Esse fato ocorre
devido à intensa exsudação apresentada por essa composição após a desmoldagem
e, com isso, boa parte da água livre é perdida. Inclusive, a amostra que apresentou a
maior perda de massa na faixa de desidratação foi a com 100%KOH, justamente a
composição que não apresentou exsudação. Segundo Provis e Deventer (2009),
acima de 300ºC a perda de massa na ATG é atribuída à desidroxilação dos
constituintes dos geopolímeros.
Os picos endotérmicos em torno de 580°C na ATD das amostras estão
relacionadas à perda das hidroxilas das folhas octaédricas da caulinita. Ocorrendo a
transformação da caulinita remanescente em metacaulinita. Já os picos endotérmicos
em torno de 840°C são referentes à fusão do carbonato de sódio. Vale ressaltar que
a amostra com 100%KOH não apresentou o referido pico, visto que não continha
sódio para ser carbonatado. Os picos exotérmicos em torno de 930°C estão
relacionados à nucleação da mulita com liberação de quartzo da estrutura amorfa
formada na geopolimerização. Para Provis e Deventer (2009), geopolímeros com
composições favoráveis à cristalização podem exibir, em altas temperaturas, uma
atividade endotérmica/exotérmica motivada pela formação e colapso de fases à
medida que a temperatura aumenta.
4.4. RESULTADOS DOS ESTUDOS ADICIONAIS
Nos estudos adicionais a argamassa escolhida (NK 1:0,105:0,245:1:0,35) foi
submetida a novos ensaios, variando-se as condições de cura (úmida e térmica) e
materiais (água e agregado miúdo). Para efeitos de comparação, ensaiou-se também
as composições, da mesma série (0,35), ativadas com 100%NaOH e 100%KOH. Vale
lembrar, que no estudo inicial destas composições a cura foi em condições de
laboratótio, o agregado miúdo utilizadado foi areia de rio lavada e a água foi destilada.
4.4.1. Cura úmida, térmica e água da rede de abastecimento
A Figura 4.20 mostra a resistência média à compressão das argamassas
geopoliméricas para cura úmida, térmica e uso de água da rede de abastecimento.
105
Figura 4.20 – Resistência média à compressão axial das argamassas geopoliméricas para cura úmida, térmica e uso de água da rede de abastecimento
Com relação à cura úmida, observa-se que houve pequeno decréscimo de
resistência mecânica em relação à referência, para as 3 composições avaliadas.
Contudo, a composição com 100%NaOH teve redução mais acentuada (26%),
enquanto a composição com 100%KOH teve redução de 11%. A água não é parte
integrante da estrutura do geopolímero, funcionando apenas como o meio em que as
reações ocorrem, contribuindo para a mobilidade iônica e contato entre os
constituintes. Assim, a maior queda de resistência mecânica da argamassa ativada
pelo NaOH com cura úmida pode ser devida a maior perda de Na+ para o meio
aquoso, comprometendo a geopolimerização. O íon Na+ possui maior mobilidade
iônica do que o K+. A fraca ligação química do Na+ na estrutura do geopolímero pode
potencializar a mobilidade deste cátion (BORTNOVSKY et al., 2008). O K+, por possuir
ligação química mais forte à estrutura do geopolímero, tem sua mobilidade reduzida
(SZKLORZOVÁ e BÍLEK, 2008; ŠKVÁRA et al., 2008). Outra possível causa da maior
mobilidade do Na+ em relação ao K+, é que o Na+ tem menor peso molecular e menor
raio iônico; com isso, esse cátion tem maior facilidade de migração no interior da
estrutura do geopolímero.
A argamassa selecionada (30%NaOH + 70%KOH) apresentou redução de 17%
na resistência mecânica quando da cura úmida, acompanhando a tendência de
redução dessa propriedade ao se elevar o teor de NaOH.
106
Para a cura térmica observa-se que houve aumento de resistência mecânica
para a composição com 100%KOH (40%) e para a argamassa selecionada (32%).
Entretanto, a composição com 100%NaOH apresentou decréscimo de resistência
mecânica (39%). Rahim et al. (2014) obtiveram resultados semelhantes ao ativar cinza
volante com soluções monocomponentes de NaOH e KOH, em diferentes tempos, a
60ºC. Os pesquisadores observaram que os corpos de prova ativados por NaOH
apresentavam crescimento de resistência mecânica conforme se aumentava o tempo
de cura; entretanto, após certo ponto, a cura térmica foi excessiva e resultou na
destruição da estrutura dos geopolímeros, conduzindo à queda acentuada da
resistência à compressão. Já os corpos de prova ativados por KOH praticamente não
apresentaram queda de resistência mecânica, em nenhuma das idades. Portanto,
para maiores tempos de cura térmica pode-se inferir que os geopolímeros ativados
por NaOH são mais susceptíveis à queda de resistência à compressão do que os
ativados por KOH.
O tempo de cura térmica nesta dissertação foi igual a 90 horas; logo, é possível
que para tempos inferiores se obtenha resistências à compressão maiores para as
composições ativadas por KOH.
Para o uso de água da rede de abastecimento em vez de água destilada
observou-se que apenas a composição com 100%NaOH teve redução significativa na
resistência mecânica (12%). A água da rede de abastecimento possui compostos
químicos (cloretos, fluoretos, sulfatos etc.) que podem dificulta a geopolimerização. A
composição ativada com 100%NaOH pode ter apresentado menor resistência à
compressão devido à fraca ligação química do Na+ à estrutura do geopolímero. O
maior número de compostos químicos no sistema, oriundos da água da rede de
abastecimento, pode ter afetado ainda mais a ligação fraca do Na+ e,
consequentemente, causado perturbação na rede geopolimérica, devido à formação
de NaCl, NaF, Na2SO4 etc.
Apesar dos resultados, o uso da água da rede de abastecimento não
representou perda significativa de resistência à compressão dos geopolímeros.
Contudo, mais estudos são necessários, principalmente no que diz respeito à
durabilidade do material, visto que os compostos químicos presentes na água da rede
de abastecimento podem desencadear reações deletérias na estrutura geopolimérica.
107
4.4.2. Areia normal
A relação entre a resistência à compressão da argamassa selecionada (NK
1:0,105:0,245:1:0,35) e o uso de areia normal é mostrada na Figura 4.21. Vale
destacar que a argamassa selecionada foi confeccionada, inicialmente, com areia de
rio lavada com diâmetro passante na peneira ABNT #16 (1,18 mm).
Figura 4.21 – Resistência média à compressão axial das argamassas geopoliméricas com o uso de areia normal.
A areia de rio lavada não passa por nenhum controle tecnológico que vise
reduzir o teor de impurezas e/ou contaminantes. Entretanto, ao se analisar os
resultados obtidos para a resistência à compressão (Figura 4.21) verifica-se que não
houve contaminação por parte desta na geopolimerização, visto que, ao se substituir
a areia de rio lavada pela areia normal brasileira observou-se, para todas as frações,
queda discreta na resistência à compressão. A discreta queda de resistência
mecânica pode ser devido à granulometria uniforme de cada fração, que acabou
provocando um efeito físico na matriz cimentícia. O efeito em questão é o pior
empacotamento dos grãos, que gera matrizes mais porosas, e reflete na menor
resistência à compressão. Haddad (2015) ensaiou argamassas de revestimento à
base de CP com areias de diferentes granulometrias. O pesquisador observou que as
argamassas que atingiram as menores resistências à compressão foram justamente
aquelas que possuíam areia de granulometria uniforme. Segundo ele, o
empacotamento deficiente aumentou a porosidade das amostras e,
108
consequentemente, reduziu a resistência à compressão. Sabatinni (1998) elucida que,
quanto maior a descontinuidade da granulometria do agregado miúdo da argamassa,
menor será sua resistência mecânica.
Este fato é comprovado nesta dissertação pelo pequeno aumento de
resistência à compressão da composição que utilizou a mistura das 4 frações da areia
normal (25% de cada), confirmando a importância do empacotamento dos grãos na
resistência à compressão. A mistura das 4 frações criou uma granulometria contínua,
ou seja, onde as frações menores preenchem os espaços existentes entre as frações
maiores, de forma a propiciar o menor volume de vazios possível. O menor volume de
vazios (menor porosidade) gera argamassas mais densas e com maiores resistências
à compressão.
Devido à pequena diferença de resistência mecânica entre a argamassa com
areia de rio lavada e com areia normal, pode-se inferir que o uso da areia de rio lavada,
ao menos para a composição selecionada, não foi prejudicial à resistência à
compressão.
4.5. RECALCINAÇÃO DO METACAULIM
DIFRATOMETRIA DE RAIOS X
A Figura 4.22 mostra a DRX de cada parcela de MC recalcinado. O metacaulim
de referência, ou seja, aquele que não sofreu recalcinação é o mesmo do item 3.1.1.1,
sendo que neste item já foi feita uma discussão sobre suas fases cristalinas.
O mineral que foi avaliado é a caulinita (C), que já ainda existiam picos
deteriorados desse mineral na amostra normal. Nota-se que a partir da amostra
calcinada a 600ºC por 60 minutos os picos de caulinita praticamente desapareceram.
Assim, para o MC comercial desta pesquisa uma recalcinação na temperatura e tempo
supramencionados já seria o suficiente para desidroxilar a caulinita remanescente.
109
Figura 4.22 – DRX do metacaulim recalcinado.
A calcinação nos demais tempos e temperaturas se justifica para estudos de
custos energéticos. A Tabela 4.5 mostra o valor em reais (R$), com base em uma
tarifa unitária, para a queima de cada amostra no forno mufla utilizado. Nota-se que,
para se atingir o objetivo de desidroxilar a caulinita remanescente, a queima a 700ºC
por 30 minutos seria a mais barata.
Tabela 4.5 – Custo unitário da recalcinação das amostras de MC.
Temperatura (patamar °C)
Rampa (°C/min)
Tempo (min)
(atingir o patamar)
Tempo (min)
(patamar)
Tempo (min) (total)
Potência (forno) (kW)
Tarifa (unitária) (R$/kWh)
R$
800 10 80 30 110 11 1 20,2
700 10 70 30 100 11 1 18,3
600 10 60 30 90 11 1 16,5
800 10 80 60 140 11 1 25,7
700 10 70 60 130 11 1 23,8
600 10 60 60 120 11 1 22,0
800 10 80 120 200 11 1 36,7
700 10 70 120 190 11 1 34,8
600 10 60 120 180 11 1 33,0
110
ÍNDICE DE ATIVIDADE POZOLÂNICA (IAP) COM A CAL
A Figura 4.23 mostra os resultados obtidos no ensaio de índice de atividade
pozolânica (IAP) com a cal, aos 7 dias, de cada MC recalcinado, bem como o do MC
de referência.
Figura 4.23 – Índice de atividade pozolânica com a cal, aos 7 dias, de cada MC.
O IAP é um método indireto que visa estimar a atividade pozolânica de um
material. Apesar da geopolimerização e da reação pozolânica serem diferentes, é
possível correlacioná-las devido a ambas demandarem sílica e alumina no estado
amorfo.
De acordo com a Figura 4.24, a recalcinação dos MC não surtiu efeito
considerável no IAP. Este fato foi devido ao MC de referência, sem sofrer
recalcinação, já apresentar picos de caulinita de baixíssima intensidade e bem
deteriorados. Conclui-se, portanto, que o MC comercial utilizado nesta dissertação foi
bem calcinado em sua fabricação. Logo, não se justificou o estudo de novas
argamassas geopoliméricas utilizando os MC recalcinados.
Vale destacar, que um dos motivos do estudo da recalcinação do MC foi o
trabalho realizado por Rocha et al. (2017). Os pesquisadores recalcinaram um MC
comercial nas temperaturas de 700°C por 1 hora, 600°C por 2 horas e 500°C por 3
horas. O MC utilizado pelos pesquisadores foi fornecido pela mesma empresa que
forneceu a este trabalho, porém o lote foi diferente. Os pesquisadores confeccionaram
argamassas geopoliméricas ativando o MC comercial e os MC recalcinados, com uma
mesma solução ativadora, baseada em silicato e hidróxido alcalino. Ao determinarem
111
a resistência à compressão das amostras com 1 dia, observaram aumento de 53% na
resistência à compressão da argamassa geopolimérica com o MC calcinado por 2
horas a 600ºC (Figura 4.24).
Figura 4.24 - Resistência à compressão axial com 1 dia das argamassas com MC comercial e calcinados (ROCHA et al., 2017).
Assim, o MC comercial utilizado por Rocha et al. (2017) foi calcinado de
maneira inadequada em sua fabricação, visto que a calcinação adicional aumentou a
reatividade do material, fornecendo maiores resistências à compressão. Entretanto, o
MC utilizado neste trabalho, por ser de um lote diferente, sofreu calcinação adequada
em sua fabricação, haja vista os picos de caulinita de baixíssima intensidade e bem
deteriorados presentes na DRX do material.
4.6. RESISTÊNCIA MÉDIA À COMPRESSÃO EM FUNÇÃO DA IDADE
A evolução da resistência média à compressão axial da argamassa
geopolimérica selecionada (30%NaOH + 70%KOH), em função do tempo, é mostrada
na Figura 4.25. De acordo com a Figura 4.25, a argamassa geopolimérica NK
1:0,105:0,245:1:0,35 tem uma rápido ganho de resistência à compressão, atingindo
2,9 MPa com 1 dia, 4,4 MPa com 3 dias e quase a totalidade (89,7%) da resistência
(6,1 MPa) aos 7 dias. Aos 90 dias o valor da resistência apresenta uma leve queda
em relação aos 60 dias. Esta queda pode ser devido ao uma falha na moldagem do
corpo de prova, que acarretou na menor resistência, ou ainda o desenvolvimento de
reações deletérias tardias na matriz geopolimérica. Entretanto, para constatar se a
tendência de queda se permanece, seriam necessárias idades de rupturas ainda
maiores.
112
Figura 4.25 - Resistência média à compressão axial da argamassa NK 1:0,105:0,245:1:0,35, em função do tempo.
Segundo Hardjito e Rangan (2005), uma das principais características dos
geopolímeros é o elevado ganho de resistência mecânica nas primeiras idades.
Rangel (2017) ativou MC com soluções monocomponentes de NaOH e KOH,
determinando a resistência à compressão das argamassas nas idades de 1, 3, 7, 14,
21 e 28 dias. Ele observou que as argamassas ativadas por KOH alcançaram 94,7%
da resistência máxima à compressão aos 7 dias de idade. Já as ativadas por NaOH
alcançaram, 64,5% da resistência mecânica máxima aos 7 dias e 94,7% aos 14 dias.
Livi (2013) ativou cinza volante com uma solução contendo NaOH, a fim de determinar
a resistência à compressão nas idades de 1, 3, 7 e 28 dias, concluindo que as
amostras alcançaram quase a totalidade da resistência à compressão aos 7 dias.
Segundo Bernal et al. (2012), o MC em soluções com alta concentração de
ativador e, consequentemente elevado pH, possui elevada taxa de dissolução,
beneficiando o ganho de resistência mecânica nas primeiras idades.
Este comportamento dos geopolímeros é importante em aplicações em que
haja necessidade de desmoldagem rápida, sendo exemplos: peças pré-fabricadas de
concreto armado, concreto protendido pré e pós-tensionado, pisos industriais,
113
argamassa armada, reparo e/ou reforço de estruturas de concreto, pavimentação de
vias urbanas e pistas de pouso e decolagem de aeroportos etc.
Ressalta-se que a partir dos 28 dias as resistências à compressão não
sofreram variações significativas. Logo, pode-se concluir que a máxima resistência
mecânica é atingida em idade semelhante a dos cimentos convencionais
4.7. CLASSIFICAÇÃO DA ARGAMASSA GEOPOLIMÉRICA
Neste item são apresentados os resultados dos ensaios propostos pela NBR
13281 (ABNT, 2005). Esta norma especifica os requisitos exigíveis para a argamassa
utilizada em assentamento e revestimento de paredes e tetos. A composição NK
1:0,105:0,245:1:0,35 (30%NaOH + 70%KOH) foi a escolhida para ser submetida aos
ensaios.
4.7.1. Densidade de massa aparente no estado fresco
A Tabela 4.6 mostra a classificação e os resultados do ensaio de densidade de
massa aparente no estado fresco (A). A norma utilizada para o ensaio foi a NBR 13278
(ABNT, 2005).
Tabela 4.6 – Classificação e resultados do ensaio de densidade de massa aparente no estado fresco.
Composição A (kg/m3) Classe A (kg/m3)
NBR 13281 (ABNT, 2005)
NK 1:0,105:0,245:1:0,35 1999,6
D1 ≤ 1400
D2 1200 a 1600
D3 1400 a 1800
D4 1600 a 2000
D5 1800 a 2200
D6 > 2000
Assim, de acordo com a classificação acima (Tabela 4.5), a composição
avaliada se enquadra na classe D5. Nota-se que a argamassa tem elevada densidade
de massa no estado fresco. A elevada densidade pode revelar que foi adequado o
empacotamento dos grãos, proporcionado pelo agregado miúdo.
114
Caraseck (2007) propõe outra classificação das argamassas para densidade
no estado fresco (Tabela 4.7).
Tabela 4.7 – Classificação das argamassas quanto à densidade no estado fresco (adaptado de CARASECK, 2007).
Argamassa Densidade de massa aparente no estado fresco “A” (kg/m3)
Leve < 1400
Normal 1400 ≤ A ≤ 2300
Pesada > 2300
Nesta nova classificação, a composição avaliada se enquadra na classe
“normal”. Segundo Caraseck (2007), quanto mais densa é a argamassa, maior é o
esforço para sua aplicação, podendo prejudicar a produtividade.
4.7.2. Retenção de água
A Tabela 4.8 mostra a classificação e o resultado da retenção de água da
argamassa selecionada. A norma utilizada neste ensaio foi a NBR 13277 (ABNT,
2005).
Tabela 4.8 – Classificação e resultado da retenção de água.
Composição 𝑹𝒂 (%) Classe 𝑹𝒂 (%)
NBR 13281 (ABNT, 2005)
NK 1:0,105:0,245:1:0,35 99,8
U1 ≤ 78
U2 72 a 85
U3 80 a 90
U4 86 a 94
U5 91 a 97
U6 95 a 100
Assim, de acordo com a classificação acima, a composição selecionada se
enquadra na classe U6.
A elevada retenção de água pode ser um ponto favorável da argamassa
geopolimérica. Quando uma argamassa tem baixa retenção, a perda de água para o
115
substrato pode ser muito rápida e, dependendo do tipo de aplicação, pode prejudicar
ou até mesmo inviabilizar a utilização.
Por exemplo, no assentamento de blocos a argamassa pode ressecar caso
perca água muito rapidamente e, com isso, a adequada disposição dos blocos da
próxima fiada pode ser comprometida, prejudicando o nivelamento e o prumo da
parede. Além disso, a retenção de água tem influência na trabalhabilidade, uma vez
que a rápida dessecação reduz a trabalhabilidade, dificultando a aplicação e
regularização da argamassa.
4.7.3. Densidade de massa aparente no estado endurecido
A Tabela 4.9 mostra a classificação e os resultados do ensaio de densidade de
massa aparente no estado endurecido aos 28 dias. A norma utilizada para o ensaio
foi a NBR 13280 (ABNT, 2005).
Tabela 4.9 – Classificação e resultados do ensaio de densidade de massa aparente no estado endurecido aos 28 dias.
Composição 𝝆𝒂𝒑 (kg/m3) Classe 𝝆𝒂𝒑 (kg/m3)
NBR 13281 (ABNT, 2005)
NK 1:0,105:0,245:1:0,35 1891,4
M1 ≤ 1200
M2 1000 a 1400
M3 1200 a 1600
M4 1400 a 1800
M5 1600 a 2000
M6 > 1800
Assim, de acordo com a classificação acima, a composição avaliada se
enquadra na classe M6. Vale destacar que a diferença entre a densidade de massa
no estado fresco e a densidade de massa no estado endurecido é principalmente
devido à saída de parte da água na secagem da peça. Segundo Costa (2016), em
argamassas de cimento Portland curadas à temperatura ambiente há redução em
torno de 7% (de 3 a 11%) na densidade de massa no estado endurecido em relação
ao valor no estado fresco. Na composição avaliada esta redução foi de
116
aproximadamente 5,4%, valor próximo ao apresentado pelas argamassas de cimento
Portland.
4.7.4. Absorção de água por capilaridade e coeficiente de capilaridade
A Tabela 4.10 mostra a classificação e resultado do coeficiente de capilaridade,
bem como resultado do ensaio de absorção de água por capilaridade da argamassa
selecionada. A norma utilizada para o ensaio de absorção foi a NBR 15259 (ABNT,
2005).
Tabela 4.10 – Classificação e resultado do coeficiente de capilaridade, e resultado do ensaio de absorção de água por capilaridade.
Composição 𝑨𝒕 (g/cm2) 𝑪
(g/dm2·min1/2) Classe
𝑪 (g/dm2·min1/2)
NBR 13281 (ABNT,
2005)
NK
1:0,105:0,245:1:0,35
𝐴10 = 0,21
𝐴90 = 0,41 3,2
C1 ≤ 1,5
C2 1,0 a 2,5
C3 2,0 a 4,0
C4 3,0 a 7,0
C5 5,0 a 12,0
C6 > 10,0
Assim, de acordo com a classificação da Tabela 4.10, a composição se
enquadra na classe C3. Um coeficiente de capilaridade situado nas classes mais
baixas indica maior porosidade fechada da argamassa, o que favorece a
impermeabilidade, sendo esta uma característica desejável em argamassas de
revestimento.
4.7.5. Resistência potencial de aderência à tração
A Tabela 4.11 mostra a classificação e o resultado da resistência potencial de
aderência à tração da argamassa avaliada. A norma utilizada neste ensaio foi a NBR
15258 (ABNT, 2005).
117
Tabela 4.11 – Classificação e resultado da resistência potencial de aderência à tração.
Composição 𝑹𝒊 (MPa) Classe 𝑹𝒊 (MPa)
NBR 13281 (ABNT, 2005)
NK 1:0,105:0,245:1:0,35
0,37
A1 ≤ 0,20
A2 ≥ 0,20
A3 ≥ 0,30
Logo, de acordo com a classificação da Tabela 4.11, a composição se
enquadra na classe mais alta (A3). Em argamassas de revestimentos é de suma
importância uma adequada aderência, pois esta revela a capacidade do revestimento
em se manter fixo ao substrato, resistindo às tensões normais e tangenciais que
surgem na interface base-revestimento. Com isso, ao se situar na classe mais
elevada, a argamassa geopolimérica demonstra excelente aptidão nesse requisito.
Com relação à forma de ruptura dos corpos de prova, todos tiveram padrão de
ruptura A, ou seja, romperam na argamassa (Figura 4.26). Este comportamento
denota que a aderência substrato/argamassa foi mais forte do que a própria
resistência à tração da argamassa, ou seja, excelente ligação argamassa/substrato.
Figura 4.26 – Padrão de ruptura dos corpos de prova no ensaio de aderência à tração.
4.7.6. Resistência à tração na flexão e resistência à compressão
A Tabela 4.12 mostra os resultados do ensaio de resistência à tração na flexão
e de resistência à compressão, ambas aos 28 dias. A norma utilizada foi a NBR 13279
(ABNT, 2005).
118
Tabela 4.12 – Resistência à tração na flexão e resistência à compressão aos 28 dias.
Composição Tração na flexão (MPa) Compressão (MPa)
NK 1:0,105:0,245:1:0,35 1,8 7,1
Já a Tabela 4.13 mostra a classificação proposta pela NBR 13281 (ABNT,
2005) para o ensaio de resistência à tração na flexão e de resistência à compressão,
ambas aos 28 dias.
Tabela 4.13 – Classificação das argamassas em função da resistência à tração na flexão e resistência à compressão, ambas aos 28 dias.
Classe Resistência à
tração na flexão (MPa) Classe
Resistência à
compressão (MPa)
R1 ≤ 1,5 P1 ≤ 2,0
R2 1,0 a 2,0 P2 1,5 a 3,0
R3 1,5 a 2,7 P3 2,5 a 4,5
R4 2,0 a 3,5 P4 4,0 a 6,5
R5 2,7 a 4,5 P5 5,5 a 9,0
R6 > 3,5 P6 > 8,0
Assim, de acordo com a classificação da Tabela 4.12, a composição
selecionada se enquadra na classe R3 para resistência à tração na flexão, e na classe
P5 para resistência à compressão. A NBR 13281 (ABNT, 2005), apesar de classificar,
não fornece valores de resistência para que seja possível associar a argamassa a um
fim específico. Portanto, a resistência da argamassa deve ser especificada em projeto.
Em argamassas de revestimento de paredes e tetos a resistência à
compressão ou à tração não são características preponderantes; por exemplo, a
trabalhabilidade e aderência são mais importantes. Entretanto, no caso de
assentamento de blocos, sobretudo em alvenaria estrutural, há a necessidade da
resistência à compressão da argamassa possuir um valor não muito abaixo da
resistência mecânica dos blocos. Segundo Ramalho e Corrêa (2003), a resistência da
argamassa não deve ser menor do que 30 ou 40% da resistência do bloco, para não
comprometer a resistência final o sistema construtivo.
119
4.7.7. Comparação com outras argamassas
Neste item foi realizada uma comparação entre os resultados obtidos na
classificação da argamassa geopolimérica (item 4.6) e os resultados obtidos por
Rangel (2017). Este também classificou, com base na NBR13281 (ABNT, 2005), uma
argamassa geopolimérica à base de MC ativado por KOH. A relação MC/areia e
ativador/precursor utilizadas por Rangel (2017) foram as mesmas da argamassa NK
1:0,105:0,245:1:0,35, porém a relação líquido/sólido foi ligeiramente inferior e igual a
0,34. A Tabela 4.14 apresenta a referida comparação.
Tabela 4.14 – Classificação da composição desta dissertação e do trabalho de Rangel (2017), de acordo com a NBR 13281 (ABNT, 2005).
Requisito/argamassa NK 1:0,105:0,245:1:0,35 K 1:0,35:1:0,34
(RANGEL, 2017)
Densidade de massa aparente no estado fresco
(kg/m3) D5 (1999,6) D5 (1986,3)
Retenção de água (%) U6 (99,8) U6 (99,8)
Densidade de massa aparente no estado endurecido (kg/m3)
M6 (1891,4) M5 (1799,1)
Coeficiente de capilaridade (g/dm2·min1/2)
C3 (3,2) C4 (3,9)
Resistência potencial de aderência à tração (MPa)
A3 (0,37) A2 (0,27)
Resistência à tração na flexão (MPa)
R2 (1,8) R1 (1,0)
Resistência à compressão (MPa)
P4 (7,1) P4 (4,7)
De acordo com a Tabela 4.14, a composição NK 1:0,105:0,245:1:0,35
apresentou resultados, em todos os requisitos, superiores aos da argamassa K
1:0,35:1:0,34.
Em comparação à argamassa K 1:0,35:1:0,34 (RANGEL, 2017), a substituição
parcial (30%) de KOH por NaOH na argamassa NK 1:0,105:0,245:1:0,35 aumentou a
densidade de massa no estado fresco e no estado endurecido, além de reduzir o
coeficiente de capilaridade. Esse fato pode ter sido motivado pelo menor raio atômico
do Na+, que promoveu maior densidade de empacotamento da matriz e,
120
consequentemente, reduziu a porosidade aberta. Com relação à retenção de água,
não houve alteração significativa. Provavelmente, para substituições em maior
porcentagem essa propriedade possa ser afetada, visto que a maior exsudação foi
obtida pelas argamassas com maior teor de NaOH. Outro ponto é o aumento da
resistência à compressão, que refletiu na resistência à tração, proporcionado pela
substituição do KOH por NaOH. Esse fato já foi comentado no item 4.2.3, em que a
resistência à compressão das argamassas aumentou com o aumento o teor de NaOH.
Além disso, como a aderência é uma propriedade de caráter mecânico, a melhora da
resistência mecânica pode também ter motivado o pequeno aumento dessa
propriedade.
Tabela 4.15 - Quadro comparativo da classificação das argamassas geopoliméricas e das argamassas industrializadas da linha Votomassa.
Requisito/ Argamassa
Votomassa Assentamento de
vedação e encunhamento
Votomassa Múltiplo
uso
Votomassa Assentamento
estrutural 5,0 MPa
Votomassa Assentamento
estrutural 7,0 MPa
NK 1:0,105:0,245:1:
0,35
Densidade de massa aparente no estado fresco
(kg/m3)
D4 (1600 a 2000)
D4 (1600 a 2000)
D5 (1880 a 2100)
D5 (1880 a 2100)
D5 (1999,55)
Retenção de água (%)
U3 (80 a 90)
U3 (80 a 90)
U2 (82 a 88)
U2 (73 a 84)
U6 (99,67)
Densidade de massa aparente
no estado endurecido
(kg/m3)
M4 (1400 a 1800)
M4 (1400 a 1800)
M5 (1650 a 1950)
M5 (1650 a 1950)
M6 (1891,41)
Coeficiente de capilaridade
(g/dm2·min1/2)
C5 (5,0 a 12,0)
C5 (5,0 a 12,0)
C5 (6,0 a 11,0)
C4 (4,0 a 6,0)
C3 (3,2)
Resistência potencial
de aderência à tração (MPa)
- A3 ≥ 0,30 - - A3
(0,37)
Resistência à tração na flexão
(MPa)
R2 (1,0 a 2,0)
R3 (1,5 a 2,7)
R3 (1,7 a 2,5)
R5 (2,9 a 4,3)
R3 (1,8)
Resistência à compressão
(MPa)
P3 (2,5 a 4,5)
P4 (4,0 a 6,5)
P4 (5,0 a 6,0)
P6 (10,0 a 12,0)
P4 (7,1)
Finalmente, a Tabela 4.15 mostra a comparação entre a argamassa NK
1:0,105:0,245:1:0,35 e os resultados obtidos pela empresa Votorantim Cimentos, para
121
sua linha de argamassas industrializadas (Votomassa). Os dados foram coletados no
catálogo técnico do próprio fabricante.
Logo, ao se analisar a Tabela 4.15, observa-se que a argamassa NK
1:0,105:0,245:1:0,35 possui propriedades equivalentes à argamassa de
assentamento estrutural de 5,0 MPa, mas também podendo ser equiparada às
argamassas de assentamento de vedação e encunhamento de paredes, assim como
às de múltiplo uso. Já com relação à argamassa de assentamento estrutural de 7,0
MPa, a argamassa NK 1:0,105:0,245:1:0,35 só não se equiparou devido pequena
diferença na resistência mecânica, que poderia ser atingida ao se aumentar um pouco
o teor de NaOH. Contudo, seria necessário buscar uma forma de sanar a
eflorescência apresentada pelas composições com maiores teores de NaOH.
122
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
5.1. CONCLUSÕES
Este trabalho investigou a influência da ativação por hidróxidos alcalinos
(NaOH, KOH, e NaOH + KOH) nas características físicas, químicas e mecânicas de
argamassas geopoliméricas à base de metacaulim. Segundo os resultados obtidos no
programa experimental, foi possível concluir:
o aumento da quantidade de KOH na solução ativadora alcalina melhorou a
trabalhabilidade das argamassas, tendo menor viscosidade as soluções de
KOH quando comparadas as de NaOH. Logo, a viscosidade da solução
ativadora tem grande influência sobre a viscosidade da argamassa e
consequentemente, em sua trabalhabilidade;
a eflorescência cresceu com o aumento da quantidade de NaOH nas amostras.
As únicas composições que não apresentaram eflorescência,
independentemente da relação ativador/precursor, foram as ativadas com
soluções de 30%NaOH + 70%KOH e 100%KOH. O aumento de KOH contribuiu
para a redução da exsudação e, consequentemente, diminuição da
eflorescência. Isso ocorreu em função das características do íon K+, que possui
baixa mobilidade iônica e forte ligação à estrutura do geopolímero. Além disso,
o maior peso molecular e raio iônico do K+ em relação ao Na+ pode ter
favorecido a criação de uma estrutura do tipo “gaiola”, que aprisionou os íons
Na+. A redução da exsudação ao se aumentar o teor de KOH é, também, devido
à maior esfera de hidratação do K+ em relação ao Na+. A esfera de hidratação
ocorre devido à atração elétrica entre as moléculas de água e o íon. Assim,
como o K+ possui ligação forte à estrutura do geopolímero, acaba por reter
consigo maior teor de água na estrutura, reduzindo a exsudação.
a relação ativador/precursor igual a 0,35 foi a que resultou nas melhores
resistências mecânicas, tanto aos 7 quanto aos 28 dias, seguida pelas relações
0,30, 0,25 e, por último, 0,40. A menor resistência mecânica da série 0,40
mostra que o teor de ativador em excesso desencadeia reações deletérias na
estrutura do geopolímero;
com base nos critérios de trabalhabilidade, eflorescência e resistência à
compressão, a melhor argamassa foi a NK 1:0,105:0,245:1:0,35, com solução
ativadora alcalina composta por 30% NaOH + 70% KOH e relação
123
ativador/precursor igual a 0,35. Essa composição atendeu aos três critérios
adotados, atingindo resistência à compressão de 6,0 MPa aos 7 dias;
a DRX das argamassas com relação ativador/precursor igual a 0,35
comprovaram, por meio da presença do halo difuso, que os geopolímeros são
materiais amorfos ou semicristalinos. A ATG mostrou que a maior parte da
perda de massa é devido à desidratação da amostra. A ADT confirmou a
existência de carbonato de sódio nas amostras ativadas por NaOH, e a
presença de caulinita remanescente;
a argamassa NK 1:0,105:0,245:1:0,35 foi submetida a novos ensaios: alteração
do tipo de cura (térmica e úmida), alteração dos materiais constituintes (areia
normal brasileira e água da rede de abastecimento). Para efeito de
comparação, as argamassas com mesma relação ativador/precursor ativadas
com 100% NaOH e 100% KOH também foram ensaiadas. A influência do tipo
de cura e dos materiais constituintes foram mensuradas por meio da resistência
à compressão aos 7 dias. Com relação à cura úmida, observou-se pequeno
decréscimo de resistência à compressão conforme se aumentou o teor de
NaOH nas 3 composições estudadas. A composição com 100% NaOH teve
redução mais acentuada (26%), enquanto a composição com 100% KOH teve
redução de 11%. A argamassa NK 1:0,105:0,245:1:0,35 apresentou redução
de 17%. A perda de íons Na+ para o meio aquoso, devido à sua maior
mobilidade, pode ter comprometido a geopolimerização, ocasionando a queda
da resistência mecânica ao se aumentar o teor de NaOH. Para a cura térmica
durante 90 horas observou-se aumento de resistência mecânica para a
composição com 100% KOH (40%) e para a argamassa NK selecionada (32%).
Entretanto, a composição com 100% NaOH apresentou decréscimo de
resistência mecânica (39%). Concluiu-se, com base na literatura, que os
geopolímeros ativados por NaOH são mais susceptíveis à queda de resistência
à compressão do que os ativados por KOH. Já o uso de água da rede de
abastecimento, em substituição à água destilada, ocasionou à composição com
100% NaOH redução significativa na resistência mecânica (12%). O maior
número de compostos químicos no sistema, oriundos da água da rede de
abastecimento, pode ter afetado ainda mais a ligação fraca do Na+ ao
geopolímero e, consequentemente, causado perturbação na rede
geopolimérica. Apesar dos resultados, o uso da água da rede de abastecimento
124
não representou perda significativa de resistência à compressão dos
geopolímeros estudados. A substituição da areia de rio lavada pela areia
normal brasileira, para todas as frações, não ocasionou queda significativa na
resistência à compressão da argamassa NK 1:0,105:0,245:1:0,35. A reduzida
queda de resistência mecânica pode ser devido à granulometria uniforme de
cada fração, que acabou provocando pior empacotamento dos grãos, gerando
matrizes mais porosas. Inclusive o uso da mistura das 4 frações da areia normal
(25% de cada) gerou pequeno aumento de resistência à compressão. Portanto,
o uso da areia de rio lavada não provocou reações deletérias na reação de
geopolimerização;
o estudo da recalcinação de MC comercial utilizado nesta dissertação
comprovou que o mesmo foi bem calcinado em sua fabricação. Logo, não se
justificou o estudo de novas argamassas geopoliméricas utilizando os MC
recalcinados;
a argamassa NK 1:0,105:0,245:1:0,35 apresentou quase a totalidade (89,7%)
de sua resistência à compressão (6,1 MPa) aos 7 dias. De acordo com a
literatura, o elevado ganho de resistência mecânica nas primeiras idades é um
comportamento típico de geopolímeros. Este comportamento dos
geopolímeros é importante em aplicações em que haja necessidade de
desmoldagem rápida, entre outras;
a classificação da argamassa NK 1:0,105:0,245:1:0,35, segundo os requisitos
da NBR 13281 (ABNT, 2005), foi: D5 para densidade de massa aparente no
estado fresco, U6 para retenção de água, M6 para densidade de massa
aparente no estado endurecido, C3 para coeficiente de capilaridade, A3 para
resistência potencial de aderência à tração, R2 resistência à tração na flexão e
P4 para resistência à compressão. Vale destacar que a NBR 13281 (ABNT,
2005) é apenas classificatória, cabendo ao projeto especificar os requisitos que
a argamassa deve atender em sua finalidade. A comparação da argamassa NK
1:0,105:0,245:1:0,35 com as argamassas industrializadas da linha Votomassa
mostrou que esta possui propriedades equivalentes à argamassa de
assentamento estrutural de 5,0 MPa.
Portanto, a ativação alcalina utilizando NaOH proporciona maior resistência
mecânica. Porém, a trabalhabilidade é afetada devido à elevada viscosidade da
solução aquosa deste hidróxido. A exsudação e eflorescência também são intensas
125
nas argamassas ativadas por NaOH. Já o uso de KOH proporcionou menor resistência
mecânica. Contudo, a trabalhabilidade foi favorecida devido à baixa viscosidade da
solução de KOH, sendo a exsudação e eflorescência imperceptíveis. Assim, o uso de
soluções mistas de NaOH + KOH mostrou que é possível aliar as propriedades de
cada hidróxido, diminuindo a resistência mecânica ao se adicionar KOH, mas
melhorando a trabalhabilidade e reduzindo a eflorescência. Assim, mais estudos são
necessários para entender melhor os produtos formados com o uso em conjunto dos
dois hidróxidos. Além disso, é preciso buscar a melhor formulação para potencializar
as melhores características de cada hidróxido.
5.2. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Estudar o ciclo de produção do MC, NaOH e KOH para quantificar as emissões
reais de CO2 e, com isso, estimar a emissão de CO2 do geopolímero;
avaliar e comparar os produtos formados na reação de geopolimerização
quando se utiliza NaOH, KOH e a combinação de NaOH + KOH como
ativadores alcalinos;
verificar o efeito da combinação de precursores como, por exemplo, MC + cinza
volante, MC + sílica ativa, MC + cinza da casca do arroz etc., nas propriedades
físicas, químicas e mecânicas de argamassas geopoliméricas;
ampliar o estudo da cura térmica e úmida em geopolímeros ativados somente
por hidróxidos alcalinos;
investigar se há alteração nos produtos da geopolimerização devido ao uso de
água de rede de abastecimento, visto que esta pode conter cloretos, fluoretos,
entre outros sais, que podem prejudicar a geopolimerização;
verificar os efeitos da utilização da solução ativadora alcalina imediatamente
após o seu preparo, para se avaliar os efeitos do calor da solução na reação
de geopolimerização;
estudar a retração por secagem e autógena em argamassas geopoliméricas
ativadas somente por hidróxidos alcalinos;
analisar a durabilidade dessas argamassas geopoliméricas em ambientes
agressivos.
126
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