UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA ESCOLA POLITÉCNICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL

UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA ESCOLA POLITÉCNICA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL

PRODUÇÃO E AVALIAÇÃO DE MATERIAIS DE REPARO DE BASE GEOPOLIMÉRICA COM ADIÇÃO DE CINZA VEGETAL

Samile Raiza Carvalho Matos

Salvador

2016

UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA ESCOLA POLITÉCNICA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL

PRODUÇÃO E AVALIAÇÃO DE MATERIAIS DE REPARO DE BASE GEOPOLIMÉRICA COM ADIÇÃO DE CINZA VEGETAL

Samile Raiza Carvalho Matos

Dissertação apresentada ao PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL como requisito parcial à obtenção do título de MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL

Orientador: Prof. Dr. Francisco Gabriel Santos Silva Agência Financiadora: Capes

Salvador

2017

FORMAÇÃO DO CANDIDATO

Bacharel em Ciências Exatas e Tecnológicas, formada pela Universidade Federal do Recôncavo da Bahia, UFRB (2013) Engenheira Civil, formada pela

Universidade Federal do Recôncavo da Bahia, UFRB (2016).

EPÍGRAFE (opcional)

―Livros não mudam o mundo, quem muda o mundo são as pessoas. Os livros só mudam as pessoas.‖

Mário Quintana

MEMBROS DA BANCA EXAMINADORA DO PROJETO DE PESQUISA DE

________________SAMILE RAIZA CARVALHO MATOS_________________

APRESENTADA AO MESTRADO EM ENGENHARIA CIVIL, DA UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA, EM 09DE JANEIRO DE 2017.

BANCA EXAMINADORA

_____________________________________

Prof.(a) Dr.(a) xxxxxxxxxxxxxxxxx Orientador

PPEC - UFBA

_____________________________________

Prof. Dr.Cleber Marcos Ribeiro Dias PPEC – UFBA

_____________________________________

Prof.(a) Dr.(a) Jardel Pereira Gonçalves

PPEC- UFBA

RESUMO

Evitar o aparecimento de manifestações patológicas e a recorrencia de reparos em estruturas de concreto armado é um desafio para a construção civil. No mercado, já existem uma variedade de materiais de base cimenticeas, poliméricas, epoxídicas e mistas, para realizar as manutenções corretivas nestas estruturas, mas todos etes materiais apresentam suas limitações. As argamassas cimentíceas, por exemplo, estão associadas a problemas de aderência e microfissuração ligadas à retração, já as poliméricas e as epóxídicas, por possuírem polímeros orgânicos em sua constituição, quando expostas à luz, às altas temperaturas e variações térmicas, tem o seu desempenho mecânico comprometido e a sua vida útil reduzida. Além disso, quando submetidas a condições de incêndio, são inflamáveis e liberam gases tóxicos. Diante disso, faz-se necessário avançar os estudos que buscam materiais alternativos para reparos estruturais. Neste contexto, os geopolímeros surgem como uma opção aos polímeros orgânicos, e demonstra ter potencial para ser empregado como material de reparo. Isto porque, ele possui uma estrutura tridimensional, inorgânica e estável que não se degrada na presença da luz e calor. Além disso, o geopolímero é um material tem o potencial de incorporar resíduos de outros setores, podendo ser mais viável ambientalmente e economicamente do que os materiais reparo convencionais.

Com isso, o objetivo deste trabalho é propor dois materiais de reparo de base geopolimérica com adição de cinza vegetal residual, utilizando metacaulim como precursor, a sílica ativa e o hidróxido de sódio como solução ativadora.

Para isto, será feito um estudo de dosagem dos geopolímeros e caracterização físico-quimica e mineralógica dos mesmos, em seguida serão produzidos e caracterizados os materiais de reparo a fim de conhecer o seu comportamento no estado fresco, o desempenho mecânico e a durabilidade. Por fim, serão reparadas mini vigas de concreto armado com os materiais geopolímericos produzidos e com as argamassas de reparo comerciais.

Palavras Chaves: polímero inorgânico, rabilitação, vigas, cinza vegetal

PRODUCTION AND EVALUATION OF GEOPOLYMERIC BASE REPAIR MATERIALS WITH PLANT GRAY ADDITION

ABSTRACT

Avoiding the appearance of pathological manifestations and the recurrence of repairs in reinforced concrete structures is a challenge for civil construction. On the market, a variety of cementitious, polymeric, epoxy and composite base materials already exist to perform corrective maintenance on these structures, but all materials have their limitations. Cementic mortars, for example, are associated with adhesion and microcracking problems associated with retraction, since the polymeric and epoxy ones, because they have organic polymers in their constitution, when exposed to light, high temperatures and thermal variations, have their performance Mechanics and reduced service life.

In addition, when subjected to fire conditions, they are flammable and release toxic gases. Given this, it is necessary to advance studies that seek alternative materials for structural repairs. In this context, geopolymers come as an option to organic polymers, and demonstrate the potential to be used as repair material. This is because it has a three-dimensional, inorganic and stable structure that does not degrade in the presence of light and heat. In addition, geopolymer is a material that has the potential to incorporate waste from other sectors, and may be more environmentally and economically feasible than conventional repair materials. Therefore, the objective of this work is to propose two geopolymer based repair materials with residual vegetal ash addition, using metakaolin as precursor, active silica and sodium hydroxide as the activating solution. For this, a study of the geopolymer dosage and physical-chemical and mineralogical characterization of the geopolymers will be done, and the repair materials will be produced and characterized in order to know their fresh behavior, mechanical performance and durability. Finally, mini-beams of reinforced concrete will be repaired with geopolymeric materials produced and with commercial repair mortars

Key words: Inorganic polymer, rehabilitation, beans, vegetable ash

SUMÁRIO

Pág.

1 INTRODUÇÃO ... 1

1.1 Justificativa ... 3

1.2 Problema de Pesquisa ... 4

1.2.1 Problema de pesquisa geral: ... 4

1.2.2 Problemas de pesquisa específicos: ... 4

1.3 Hipóteses ... 4

1.3.1 Hipótese geral:... 4

1.3.2 Hipóteses específicas: ... 4

1.4 Objetivos ... 5

1.4.1 Objetivo geral:... 5

1.4.2 Objetivos específicos: ... 5

2 ARGAMASSA DE REPARO ... 6

3 GEOPOLÍMEROS ... 9

3.1 Contextualização da tecnologia do geopolímero e terminologia ... 9

3.2 Geopolimerização ... 14

3.3 PRECURSORES ... 18

3.3.1 Metacaulinita... 18

3.3.2 Cinzas Volantes ... 20

3.3.3 Escórias de Alto Forno ... 21

3.4 Ativadores químicos ... 22

3.5

Aplicações ... 23

3.5.1 Geopolímero para materiais de reparo ... 25

4 METODOLOGIA ... 29

4.1 Materiais ... 30

1.1.1 Água de Amassamento ... 30

4.2 Metodologia ... 30

4.2.1 Primeira Etapa ... 30

4.2.2 Segunda Etapa ... 36

4.2.3 Terceira Etapa ... 40



Ataque por sulfato de magnésio conforme a norma ASTM C 1012 (2002);... 42



Ensaio de Absorção por Imersão (NBR 9778/2005); ... 42



Ensaio de Absorção por Capilaridade (NBR 9779/1995) ... 43



Ensaio de Carbonatação; ... 44



Análise do comportamento térmico em altas temperaturas conforme metodologia de Zhang (2016) ... 44

d. Exposição do cimento geopolímero a ambiente agressivo. ... 44

4.2.4 Quarta Etapa ... 45

5 RESULTADOS ESPERADOS ... 48

6 IMPACTOS ... 50

6.1 IMPACTO CIENTÍFICO ... 50

6.2 IMPACTO TÉCNOLÓGICO ... 50

6.3 IMPACTO ECONOMICO ... 50

6.4 IMPACTO SOCIAL ... 50

6.5 IMPACTO SOCIAL ... 50

7 REFERÊNCIAS ... 51

8 CRONOGRAMA ... 1

ÍNDICE DE TABELAS

Pág.

Tabela 1. Propriedades mecânicas dos materiais de reparo. ... 7 Tabela 2. Níveis mínimos para propriedades das argamassas de reparo. ... 7 Tabela 3. Requisitos gerais de materiais destinados ao reparo localizado de

estruturas. ... 8 Tabela 4. Razões molares ideais entre os reagentes da mistura propostos por

Davidovits (1982) apud Goldoni (2014) para geopolimerização. ... 17

Tabela 1- Planejamento do ensaio de flexão nas vigas ... 47

ÍNDICE DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Esquema das estruturas moleculares de polissialatos... 11

Figura 2- Representação dos teores de Ca e Al nos geopolímero, cimentos Portland e outros cimentos. Adaptado de Provis (2014) ... 13

Figura 3. Modelo conceitual da reação de geopolimerização. ... 15

Figura 4. HGT da caulinita ... 19

Figura 5. Transformação térmica da caulinita para metacaulinita. ... 20

Figura 6- Gráfico gerado a partir dos artigos indexados na plataforma SCOPUS até a data 13 dez 2016. ... 23

Figura 7-Espécies geopoliméricas desenvolvidas e quais aplicações ... 24

Figura 8 Gráfico gerado a partir dos artigos indexados na plataforma SCOPUS até a data 20 dez 2016. ... 25

Figura 1. Picnômetro para medição da massa específica. ... 31

Figura 2. Equipamento para ensaio de superfície específica (B.E.T). ... 33

Figura 3. Microscópio eletrônico de varredura, modelo S-3400N da Brukker. . 33

Figura 4. Espectrômetro de fluorescência de raios-X por energia dispersiva. . 34

Figura 5. Analisador simultâneo para análises termogravimétricas. ... 35

Figura 6. Equipamento de Espectroscopia de Infravermelho por Transformadas de Fourier. ... 36

Figura 7. Prensa elétrica servocontrolada. ... 39

Figura 8. Dimensão do corpo de prova do ensaio. ... 44

Figura 9- Detalhamento da armação da viga de concreto armado. ... 46

SÍMBOLOS E ABREVIATURAS

ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas Al: Alumínio

Al₂O₃: Óxido de alumínio (alumina) AlO_4: Tetraedros de alumínio

ASTM: American Society for Testing and Materials Cm³: Centímetro cúbico

Ca (OH)₂: Hidróxido de cálcio ou portlandita CaCO_3: Carbonato de cálcio

CaO: Óxido de cálcio CO2: Dióxido de carbono

DTA: Análise térmica diferencial.

DTG: Termogravimetria derivada

ECAT: Catalisador de Equilíbrio (do inglês Equilibrium Catalyst), catalisador residual da Unidade de Craqueamento Catalítico Fluido.

Fe2O3: Óxido de ferro III (hematita) H2O: Água

MgO: Óxido de magnésio MPa: Mega Pascal

MOL: Quantidade de matéria NaOH: Hidróxido de sódio Na2O: Óxido de sódio O₂: Oxigênio

KOH: hidróxido de potássio SiO₃: Trióxido de silício SiO₄: Tetraedro de silício SiO₂: Dióxido de silício TG: Termogravimetria.

TiO₂: Dióxido de titânio

1 INTRODUÇÃO

A durabilidade das edificações é um assunto de grande interesse para a indústria da construção civil. Hoje, um dos seus principais desafios é evitar o aparecimento e corrigir as manifestações patológicas, principalmente em elementos estruturais. Isto, por conta do alto custo associado ao sistema estrutural e de sua importância para garantir estabilidade e segurança para o usuário.

No caso das estruturas de concreto simples ou armado, são feitas manutenções, como reforços e reparos estruturais, a fim de tratar as manifestações patológicas e aumentar a vida útil da estrutura. Mas, a frequência de reparos e quantidade de insucessos nessas intervenções corretivas é um fator preocupante.

Este setor de reparos de estruturas é um segmento da construção civil em nítido desenvolvimento e que utiliza argamassas especiais de alto custo, com elevado teor de cimento e aditivos químicos que melhoram as propriedades mecânicas e proporcionam uma melhor aderência ao substrato do concreto endurecido. Já existe uma grande variedade destes produtos no mercado, mas basicamente elas se concentram em três categorias, argamassas de base cimentícia, de base cimentícia com polímero modificado e argamassas com base em resinas. Também conhecidas como cimentícia, polimérica e époxídica, respectivamente.

Apesar desta variedade de produtos, cada um possui as suas limitações.

E a falta de normas que padronizem a composição e as propriedades destes produtos faz com que o consumidor tenha dificuldade de aplicar a argamassa mais adequada para o seu problema. Muitas vezes a recorrência dos problemas estruturas se deve na aplicação inadequada destes materiais de reparo (SILVA JR E HELENE, 2001).

No Brasil, a técnica de intervenção corretiva mais utilizada é a de

reparos localizados com argamassas a base de cimento modificadas com

polímeros, e argamassas a base de resina epóxi. Um dos principais problemas

destes materiais é a instabilidade mecânica e a deformabilidade diante de altas

temperaturas e grandes variações térmicas, além de serem sensíveis a luz, isto é justificado por serem materiais poliméricos (KORMANN, 2002; MIRZA

2014). Esta instabilidade do material prejudica o desempenho e a durabilidade do sistema de reparo e traz um potencial risco e custo para o usuário.

Por outro lado, desde a década de 70 que Davidovits começou a estudar um novo material, o geopolímero, que em 1998 começou a ser apontado como uma opção de material de reparo. O geopolímero, também conhecido como polímero inorgânico e aglomerante álcali ativado é um material formado por ligações SI-0 e AL-0, que são as ligações covalentes mais estáveis da natureza (DAVIDOVITS, 1991) e por isso, tende a ser mais durável, pouco deformável e a suportar altas temperaturas.

Além disso, os geopolímero possuem grau de policondensação maior que o dos materiais de base cimentícias. Portanto, os materiais geopolimérico possuem muitas propriedades avançada tais como excelente resistência à compressão e adesão, durabilidade, melhor resistência a ácidos, alta resistência inicial, aderência, não se degrada com a luz ultravioleta e é quimicamente compatível com o concreto (BACARDINO e CONDELLO, 2016;

PHOO-NGERNKHAM et al., 2016, ZHANG et al., 2016).

Devido ao grande custo dos produtos de reparo epóxidicos e poliméricos, atualmente busca-se materiais alternativos que sejam sustentáveis com propriedades equivalentes ou superiores aos convencionais e de melhor viabilidade financeira para o reparo da estrutura. Sendo assim, os geopolímeros apresentam-se como material de possível utilização nas argamassas para reparo das estruturas.

Além disso, os geopolímero podem ser uma alternativa ao cimento Portland devido à alta resistência mecânica e as vantagens ambientais, pois permitem que resíduos industriais sejam aproveitados para gerar um novo material ligante, isento de calcário e argila, certificando uma aplicação mais favorável ambientalmente.

Por conta destas características proeminentes, vários trabalhos

consideram o geopolímero como um dos potenciais candidatos a ser utilizado

como substituto do cimento e material de reparo (FAN E ZHANG, 2016; DUAN

et al., 2016, ZHANG et. al., 2016; WAZIEN et al., 2016) No entanto, ainda são

poucos trabalhos que tem relatado sobre materiais geopolimérico de reparo de estrutura de concreto.

Neste contexto, este trabalho tem o propósito de desenvolver dois materiais de reparo de base geopolímerica, sendo eles uma argamassa geopolimérica para reparo estrutural, e uma calda de base geopolímerica para reparo, incorporando cinza vegetal que é um resíduo de outro setor, com comportamento térmico, mecânico e durabilidade que possibilitem seu uso como material de reparo e que apresente um desempenho temo-mecânico satisfatório quando comparada às argamassas de reparo comerciais.

1.1 Justificativa

No mercado existe uma variedade de argamassas de reparo de base epoxídica e polímerica que são largamente utilizadas para reparar danos em estruturas de concreto (lajes hidrelétricas, pavimentos, pilares, vigas). Mas, estes produtos possuem limitações uma vez que variações térmicas e temperaturas altas comprometem o seu desempenho mecânico e ocasiona alta deformabilidade no material (Mizza, 2014). Consequentemente, quando não observadas, essas limitações podem oferecer riscos à estrutura e a segurança dos usuários.

Além disso, os materiais convencionais de reparo mais utilizados, de base geopoliméricas e de resina epóxi, possuem polímero em sua composição.

Por conta disso, são menos duráveis quando expostas a luz ultra violeta, uma vez que esta luz tem uma ação deletéria para as cadeias poliméricas.

As argamassas de reparo convencionais apresentam uma desvantagem por conta do alto custo de produção dos materiais de reparo com base epoxídica e poliméricas e não possuem uma metodologia de dosagem que possa padronizar o comportamento e a composição destes materiais.

Sendo assim, é de extrema importância a utilização de um material de

reparo que atenda aos requisitos da norma internacional que estabelece os

requisitos para um material de reparo estrutural, a CSN EM 1504-3 2005,

mesmo em condições adversas de temperatura e que não tenha sua vida útil

reduzida quando exposto a luz ultravioleta. Diante disto justificável aprofundar

os estudos sobre outro material de reparo, de base geopolímerica, que apresente propriedades térmicas e mecânicas favoráveis ao seu uso em reparos de estruturas (Dufka et al., 2016).

1.2 Problema de Pesquisa

1.2.1 Problema de pesquisa geral:

Baixa resistência e alta deformabilidade das argamassas de reparo comerciais de base epoxídica e poliméricas, em condições de temperaturas extremas, e durabilidade afetada quando expostas a luz ultra violeta.

1.2.2 Problemas de pesquisa específicos:

 As argamassas epoxídicas e poliméricas são sensíveis a altas

temperaturas

 Alto custo de produção dos materiais de reparo com base

epoxídica e poliméricas.

 Durabilidade afetada por amplitudes térmicas e exposição à luz.

 Falta de um método racional de dosagem de argamassas de

reparo comerciais.

1.3 Hipóteses

1.3.1 Hipótese geral:

Os materiais de reparo de base geopolímerica apresentan vantagens relacionadas ao desempenho térmico, mecânico e à durabilidade quando comparada à argamassa de reparo epoxídica e poliméricas comerciais .

1.3.2 Hipóteses específicas:

 As argamassas de reparo geopoliméricas possuem um

desempenho mecânico que atende aos requisitos da norma internacional que trata de reparos, a CSN EN 1504-3 2005.

 As argamassas de reparo geopoliméricas são mais duráveis que

as argamassas de reparo epoxídicas.

 É possível fazer um método racional de dosagem de argamassa

geopolimérica.

1.4 Objetivos

1.4.1 Objetivo geral:

Avaliar o comportamento térmico-mecânico e a durabilidade de dois materiais de reparo de base geopolimérica e comparar com as argamassas comerciais epoxídicas e poliméricas.

1.4.2 Objetivos específicos:

 Avaliar o comportamento mecânico das argamassas de reparo

estrutural.

 Avaliar a durabilidade das argamassas de reparo estrutural.

 Propor uma metodologia de dosagem de geopolímero

2 ARGAMASSA DE REPARO

As construções civis frequentemente necessitam de manutenção e reparo em suas estruturas devido a agentes de exposição, problemas de execução entre outros. Souza e Ripper (1998) definem trabalhos de recuperação ou reparo como sistemas que não incorporam materiais com finalidade de aumentar ou de reconstituir a capacidade de carga original da estrutura. Os serviços de reparo segundo Souza e Ripper (1998) são classificados de acordo com a profundidade e desta forma podem ser:

1. Rasos ou superficiais: com profundidade inferior a 2cm.

 De pequenas áreas os que forem executados em superfícies

de até 15 cm

;

a) De grandes áreas: serviços executados em superfícies superiores a 15 cm

.

2. Reparos semiprofundos: com profundidade entre 2 e 5 cm, normalmente atingem as armaduras no concreto armado;

3. Reparos profundos: que alcançam profundidades superiores a 5 cm.

De acordo com Mazza (2010), a estrutura de concreto deve ser

primeiramente avaliada, a fim de observar o estado de deterioração química e

física para uma correta manutenção da estrutura. Reparos em estruturas com

danos mais expansivos podem ser insuficientes, e consequentemente há

necessidade de recuperação parcial dos elementos danificados. Para a

execução do reparo, deve-se atentar quanto aos critérios específicos

destinados a cada aplicação de acordo com as propriedades da argamassa a

ser utilizada conforme mostra a Tabela 7.

Tabela 1. Propriedades mecânicas dos materiais de reparo.

Propriedades mecânicas

Argamassas cimentícia

Argamassas cimentícias com

polímeros modificados

Argamassas a base de resinas Resistência à

compressão (MPa) 20-50 30-60 50-100

Resistência à tração

(MPa) 2-5 5-10 10-15

Módulo de elasticidade na compressão (GPa)

20-30 15-25 10-20

Coeficiente de expansão térmica

(ºC)

10 10-20 25-30

Absorção de água

(% por peso) 5-15 0,1-0,5 1-2

Temperatura máxima

de serviço >300 100-300 40-80

Fonte: Silva Jr. & Helene (2001).

Dentre dos níveis de classificação das propriedades, Silva Junior (2001

níveis mínimos de valores nas propriedades mais importantes, conforme citado na Tabela 8.

Tabela 2. Níveis mínimos para propriedades das argamassas de reparo.

Propriedades Valor Mínimo Resistência à compressão 10,0 MPa

Resistência à flexão 2,0 MPa Resistência à tração 1,0 MPa Módulo de deformação 5,0 MPa

Fonte: Silva Junior (2001 apud MAZZA, 2010)

As argamassas de reparo devem ter interação e compatibilidade entre as propriedades dos materiais de reparo e o substrato, além disso, devem ser resistentes a tensões resultantes das modificações volumétricas de carga e de temperatura, para que não ocorram deteriorizações prematuras e assim garantir a durabilidade do elemento. Silva Jr. & Helene (2001), reforçam que dentre das propriedades da argamassa de reparo é essencial considerar o módulo de elasticidade, retração e

reparo ao longo de sua vida útil, pois as falhas dos reparos geralmente ocorrem nas fronteiras substrato/reparo, devido à combinação de fissuras, deformações térmicas diferenciais e cargas aplicadas. Portanto, para garantir a redução de falhas entre argamassa de reparo e o substrato deve-se entender quais materiais devem ser utilizados, observando o tipo de ambiente que a estrutura é exposta, levando em consideração a profundidade de recuperação.

Ao realizar um estudo sobre os requisitos e critérios para as argamassas de reparo, Peña (2004) verificou que as referências mais completas sobre o tema foram publicadas nos Estados Unidos e na Europa, no qual as pesquisas declararam as dificuldades envolvidas em se conseguir critérios de desempenho adequados para os reparos. Contudo, a Tabela 9, apresenta as primeiras referências existentes sobre requisitos para o bom desempenho de reparos na tentativa de definir um material para reparo localizado ideal.

Tabela 3. Requisitos gerais de materiais destinados ao reparo localizado de estruturas.

Propriedades

Relação do reparo (R) e substrato- concreto (C)

Retração R < C

Coeficiente de Fluência (para reparos em compressão)

R < C Coeficiente de Fluência (para reparos em tração) R > C Coeficiente de expansão térmica R = C Módulo de elasticidade e Coeficiente de Poisson R = C

Resistência à tração, Desempenho à fadiga e adesão.

R > C

Porosidade e resistividade R= C

Reatividade Química R < C

Fonte: Adaptado Peña (2004).

Neste contexto, os reparos das estruturas de concreto necessitam de uma adequada composição dos materiais para garantir uma aderência satisfatória, além de resistir a esforços e as condições ambientais que são expostas. No entanto, os materiais convencionais utilizados para os serviços de reparo, são bastante caros e muitas vezes não conseguem obter as características necessárias para tal aplicação e consequentemente, não atingem a durabilidade desejada.

Contudo, buscam-se novos materiais de reparo com propriedades comparáveis ou superiores aos tradicionais, no entanto, menos caros e de menor impacto ambiental. Segundo Dias (2012), os estudos sobre ligantes alternativos ao cimento Portland são de extrema importância para reduzir as emissões de dióxido de carbono (CO

), já que a produção de clínquer de cimento está associada a um elevado nível de emissões através da descarbonização do calcário. Como forma de minimização deste problema, atualmente há diversas investigações sobre o desenvolvimento de ligantes geopoliméricos, já que os mesmos possuem propriedades semelhantes, porém com baixas emissões de CO

3 GEOPOLÍMEROS

3.1 Contextualização da tecnologia do geopolímero e terminologia

Os primeiros trabalhos de Purdon (1940), utilizando soluções de

hidróxido de sódio para ativar escórias de alto forno, produziram materiais

cimentistíceos adequados para a produção de concreto. Trabalhos posteriores

mostraram que estes materiais eram basicamente um gel à base de hidrato de

silicato de cálcio (ROY, 1999; WANG e SCRIVENER 1995) com silício presente

principalmente em cadeias unidimensionais e alguma substituição de alumínio

por silício e magnésio por cálcio enquanto. Diferente do gel geopolimérico que é tridimensional de estrutura de aluminosilicato alcalino (DUXSON et al., 2007).

Originalmente, o geopolímero surgiu como um material à prova de fogo alternativo aos polímeros orgânicos termorrígidos. Após vários incêndios catastróficos na França, entre 1970 e 1972, envolvendo plásticos orgânicos comuns, Joseph Davidovits, passou a buscar um material polimérico que não fosse inflamável, nem combustível, e dessa pesquisa iniciou os estudos com os polímeros inorgânicos (DAVIDOVITS 1982a, 1991, 2008), que foram fundamentais para a descoberta do material que ele chamou de geopolímero em 1979.

Segundo Davidovits (2015), o geopolímero pode ser considerado um contratipo dos polímeros orgânicos e, embora algumas propriedades se aproximem dos materiais cerâmicos, os geopolímeros são considerados uma nova classe de materiais.

Os geopolímeros são materiais inorgânicos, com estrutura essencialmente amorfas e podem atuar como aglutinantes cimentícios para argamassas e concretos na indústria da construção civil (HARDJITO E RANGAN, 2005), onde exibem maior durabilidade quando comparados com produtos baseados em aglutinantes de cimento Portland (ROY, 1999). Esta durabilidade exibe-se como resistência superior ao ataque químico, ao calor, ao fogo. Eles também foram extensivamente pesquisados como ligantes para imobilizar metais pesados tóxicos, de combustível nuclear usado e outros resíduos tóxicos (VAN JAARSVELD et al., 1997) e como resinas de laminação de tecidos no fabrico de compósitos de alta temperatura (LYON, 1999).

Para Vickers, van Riessen e Rickard (2015) o geopolímero é um material composto de precursor parcialmente reagido (geralmente metacaulim ou cinzas volantes), produtos sólidos da reação e poros. Parte do espaço dos poros é cheio com uma solução aquosa alcalina. Neste material, o volume dos poros pode ser da ordem de 1 a 40 e o produto sólido da reação é amorfo e composto de uma cadeia polimérica inorgânica (MAITLAND et al., 2011).

Davidovits (1991), explica que os geopolímero, na verdade, são

polímeros inorgânicos constituídos por tetraedros de

e

ligados

alternadamente pelo compartilhamento de átomos de oxigênio. Neste material, a presença dos íons positivos, tais como Na+, K+, Li+, Ca2+, Ba2+, NH4+, H3O+, tem a função de balancear a carga negativa do alumínio, no estado de coordenação IV ( ), e tornar a estrutura mais estável (DAVIDOVITS, 1991).

Para Vassalo (2013), os geopolímeros são sintetizados por uma mistura de duas partes, constituído por uma solução alcalina (frequentemente silicato solúvel) e materiais sólidos fonte de aluminossilicatos. A composição química dos geopolímeros é similar à das zeólitas, embora demonstre possuir uma microestrutura amorfa, devido à velocidade de reação da geopolimerização. Já as zeólitas são constituídas por tetraedros de sílica e alumina ligados entre si por íons de oxigênio, assim como os geopolímero, mas possui uma reação lenta em fase aquosa abundante, que favorece a formação de cristais (CENTEIO, 2011).

Sabe-se que o mecanismo de formação do geopolímero envolve a dissolução de um ou mais materiais sólidos fonte de Al

O

e SiO

, em uma solução alcalina ativadora. Após essa dissolução ocorre a policondensação e formação de uma rede tridimensional de tetraedros de e que, ligados alternadamente, compartilham todos os oxigênios dos vértices. (DAVIDOVITS, 1994; SILVA; SAGOE-CRENSTIL; SIRIVIVATNANON, 2007).

Davidovits (1994) convencionou a nomenclatura de ―sialato‖ para classificar os geopolímeros e disse que esta rede tridimensional de tetraedros pode ser de três tipos, de acordo com o arranjo atômico: poli(sialato) (–Si–O–

Al–O–), poli(sialato–siloxo) (Si–O–Al–O–Si–O) e poli(sialato–disiloxo) (Si–O–

Al–O–Si–O–Si–O). Por conta disso, os geopolímeros também são conhecidos como polissialatos. O sialato é a abreviatura de silico-oxo-aluminato e uma proposta de nomenclatura para as estruturas dos geopolímero (DAVIDOVITS, 1991), conforme está representado Figura 1.

Figura 1. Esquema das estruturas moleculares de polissialatos.

Fonte: Adaptado Silva (2008).

Os polissialatos são representados pela fórmula geral 1 de modo a englobar os diversos tipos de arranjos estruturais dos geopolímeros (DAVIDOVTS, 1994).

– – Fórmula Geral 1

A letra M representa o cátion (elemento alcalino), n o grau de policondensação, z = 1, 2 ou 3 está relacionado com o tipo de arranjo dos silicatos com os aluminatos e descreve se é um polisialato (PS), poli (sialato- siloxo) (PSS) ou poli (sialato-disiloxo) (PSDS), e w é o teor de água do compósito (DAVIDOVITS, 1989).

Há cerca de 30 anos, Davidovits introduziu essa nomenclatura "sialato"

para descrever estruturas de aluminosilicato (Davidovits 1982a). O tipo de

ligação Si-O-Al foi designado uma ligação de sialato, e Si-O-Si uma ligação

siloxo. Silva (2008) ressalta que a nomenclatura destes polissialato admite que

as ligações entre o silício e o alumínio ocorrem sempre com uma ponte de

oxigênio e que as razões SiO

/Al

O

admitem apenas valores inteiros de

acordo com o tipo de polisialato, ou seja, para

/Al

O

=2;

=2,

SiO

/Al

O

=4 e

/Al

O

=6. Isto proporcionou um meio para descrever

a composição de geopolímeros de acordo com a sua relação Si / Al, com uma

proporção de 1,0 sendo um poli (sialato), sendo 2,0 um poli (sialato-siloxo) e

3,0 um poli (sialato-disiloxo) (PROVIS; VAN DEVENTER, 2009; SILVA, 2008).

Mas, como relata Provis e van Deventer (2009), infelizmente, o termo

"sialato" já estava em uso (desde a década de 1950) para descrever qualquer um dos sais do ácido siálico (monossacárido de nove carbonos e um componente importante de vários sistemas bioquímicos dentro do corpo humano). Além disso, Provis e van Deventer (2009), relatam que este sistema de nomenclatura implica certos aspectos da estrutura geopolimérica de gel que não correspondem à realidade: descreve apenas razões Si / Al inteiras e, além disso, fornece uma descrição unidimensional de uma rede tridimensional, que quase invariavelmente se revelará inadequada.

Shi et al. (2006), afirma que os geopolímeros são um subconjunto da classe mais ampla de ligantes ativados alcalinamente. Na Figura 2 é possível observar que os geopolímeros fazem parte da família álcali ativada de materiais cimentícios, caracterizada por baixo teor de cálcio (PROVIS, 2013). O cálcio, em uma concentração de aproximadamente 3% do peso, atua nos geopolímeros como um acelerador de pega e permite que a cura do geopolímero ocorra à temperatura ambiente (TEMUUJIN et al., 2009b).

Figura 2- Representação dos teores de Ca e Al nos geopolímero, cimentos Portland e outros cimentos. Adaptado de Provis (2014)

Fonte: Vickers, van Riessen e Rickard (2015)

A característica definidora de um geopolímero é que a fase de ligação compreende um gel de aluminossilicato alcalino, com alumínio e silício ligados numa estrutura de gel tetraédrico tridimensional que é relativamente resistente à dissolução em água (MACKENZIE 2003; REES et al., 2007). O equilíbrio de carga do grupo aluminato se dá por cátions de metais alcalinos tipicamente sódio e potássio.

A variedade de nomenclaturas para este material é um dos grandes empecilhos do estudo deste material. Os materiais referidos aqui como geopolímeros foram também descritos na literatura acadêmica como polímeros minerais, polímeros inorgânicos, vidros de polímeros inorgânicos, cerâmicas ativadas alcalinamente, Hidrocerâmica, e uma variedade de outros nomes (PROVIS E VAN DEVENTER, 2009). Por conta dessa variedade, torna-se confuso o processo de busca em plataformas acadêmicas e trabalhos importantes podem não ser revelados com uma busca por palavra chave (PROVIS E VAN DEVENTER, 2009).

Os termos "geopolímero" e "polímero inorgânico" estão ganhando crescente destaque nas pesquisas do âmbito acadêmico e serão utilizados como sinônimos ao longo deste trabalho, de acordo com a definição proposta por Provis e van Deventer (2009), como sendo um material sólido e estável de aluminossilicato formado por hidróxido alcalino ou por ativação de silicato alcalino de um precursor que é normalmente (mas nem sempre) fornecido como um pó sólido.

3.2 Geopolimerização

A geopolimerização trata-se de uma reação exotérmica ocasionada pela policondensação (VASSALO, 2013). Segundo Duxson

(2007) e Goldini (2014) este mecanismo de reação pode ser divido em várias etapas, conforme mostra a Figura 3.

(I) Dissolução inicial onde a solução alcalina hidrolisa a superfície do mineral e também dissolve uma pequena quantidade de espécies Al e Si.

Nesta etapa o OH funciona como um catalisador da reação, e o cátion alcalino

do metal atua como um elemento de formação da estrutura;

(II) Transferência de espécies, onde as espécies dissolvidas reagem com os íons silicato já dissolvidos e polimerizados por reações de condensação;

(III) Nucleação compreende o início da formação da fase gel;

(IV) Reorganização da estrutura;

(V) Polimerização e enrijecimento, onde ocorre a formação da estrutura a partir da formação do gel.

A fase gel possui alta reatividade, possivelmente produzida pela copolimerização de alumina e sílica dissolvidas pelo hidróxido alcalino das fontes de sílica e alumina. Por este motivo, acredita-se que a concentração de álcalis, bem como o tamanho de partículas e a estrutura cristalina das fontes de sílica e alumina terão uma maior influência na eventual formação de gel via espécies dissolvidas (VAN JAARSVELD,

1997). No entanto, apesar de existir muitos estudos, o mecanismo de reação da dissolução e formação do gel ainda não é completamente compreendido. Muitas vezes a dissolução dos materiais de saída não é completada até que a fase da estrutura final (endurecida) seja formada.

Segundo Duxson et al. (2007), a ativação alcalina é o resultado de duas fases sucessivas e de controle. Inicialmente, há ocorrência da nucleação ou a dissolução do material aluminossilicoso e a formação de espécies poliméricas, que são altamente dependentes da termodinâmica, e dos parâmetros cinéticos.

Posteriormente, ocorre o desenvolvimento dos cristais. Estes processos de reorganização estrutural determinam à microestrutura e a distribuição dos poros do material, que são fundamentais para determinar muitas propriedades físicas.

Figura 3. Modelo conceitual da reação de geopolimerização.

Fonte: Adaptado de Goldoni (2014).

Da mesma forma, Palomo

ativação alcalina ocorrem desarranjos das ligações de Si-O-Si e de Al-O-Al, no

qual os íons de silício e alumínio passam para uma solução, devido à

existência de reações exotérmicas de dissolução. A destruição estrutural da

matéria-prima gera produtos que se acumulam por um período de tempo em

que o calor liberado é mínimo. Em seguida, é gerado um material cimentante

com estrutura mal ordenada e com alta resistência mecânica, proveniente da

condensação da estrutura.

Silva (2009) acredita que a origem da matéria-prima utilizada, mineralogia, morfologia, granulometria, composição química e teor de sílica reativa, do ativador e sua concentração, bem como do tratamento térmico, ao qual às amostras serão submetidas, influenciam na obtenção dos geopolímeros.

O sistema de geopolimerização ocorre de forma rápida após ser processada à mistura entre o aluminossilicato e o ativador alcalino escolhido e em questão de segundos inicia-se a dissolução das partículas, reorganização e gelificação. Se tratando do tempo de pega, frequentemente demora cerca de 90 minutos e o endurecimento da matriz (não permitindo a formação de estrutura cristalina) acontece cerca de 4 horas depois. No entanto, este tempo é variável no qual depende da matéria-prima utilizada juntamente com as condições de processamento (BOCA SANTA, 2012).

Segundo Davidovits (1982) apud Goldoni (2014), para que a reação de geopolimerização ocorra é necessário que exista uma proporção dos compostos constituintes da mistura, tanto material base (aluminossilicato) como solução ativadora, devem estar dentro de alguns limites mostrados na

e no

Tabela 4. Razões molares ideais entre os reagentes da mistura propostos por Davidovits (1982) apud Goldoni (2014) para geopolimerização.

Razão molar entre os compostos reagentes da mistura (Na

O, K

O) / SiO

0,2 a 0,28

SiO

/Al

O

3,5 a 4,5 H

O / (Na

O, K

O) 15 a 17,5 (Na

O, K

O) / Al

O

0,8 a 1,2

Fonte: Adaptado Goldoni (2014).

Quadro 1- Relações molares usuais

Fonte: Autora

3.3 PRECURSORES

Os precursores de geopolímeros podem ser baseados em argila desidroxilada, ou seja, metacaolina, e uma ampla gama de subprodutos industriais e agrícolas, tais como escórias de cinzas volantes, escórias de alumínio e aço, soluções de tratamento de metais usados (Nugteren et al.2011) Preparo, cinzas de casca de arroz (Bernal et al.2012) e vidro esmagado (Naik 2002). Os precursores necessitam de quantidades significativas de alumínio e / ou de silício na forma amorfa para facilitar a solubilização alcalina e a geopolimerização.

Geralmente, os materiais ditos precursores da produção de geopolímeros são resíduos industriais provenientes da indústria de mineração e das usinas de termoelétricas, na qual possuem na sua composição sílica e alumina (aluminosilicatos). De acordo com Goldoni (2014), toda matéria prima composta de sílica e alumina pode ser viável na síntese de geopolímeros.

Dentre dos precursores mais tradicionais utilizados estão a metacaulinita (argila calcinada altamente reativa), as cinzas volantes e escórias de alto forno (resíduos das indústrias siderúrgicas e termoelétricas).

3.3.1 Metacaulinita

O Caulim é uma argila composta principalmente do mineral caulinita,

além de quartzo; feldspato; mica; anatásio ou rutilo (BIGNO, 2008). Quando

tratados termicamente a temperaturas específicas, concebem produtos com

características de grande importância industrial, chamados caulins calcinados (SOUZA, 2011).

A caulinita (Al

Si

O

(OH)

) é um aluminosilicato formado por tetraedros de silício e octaedros de alumínio unidos por pontes de oxigênio, conforme mostra a Figura 3 (SILVA, 2009). No Brasil, é encontrada em jazidas minerais da região Nordeste e outros estados como, Minas Gerais, Espírito Santo, São Paulo, Paraná e Rio Grande do Sul, todos com exploração industrial e comercial (SILVA, 2008).

Figura 4. HGT da caulinita

Fonte: Silva (2008).

A estrutura da caulinita é constituída por átomos que apresentam ligações covalentes (fortes) entre si, com baixa reatividade. Desta forma, para a caulinita se transformar em metaculinita (material amorfo e reativo) é necessário fornecer energia na forma de calor (calcinação) nas temperaturas entre 700 ºC e 800 ºC, resultando na perda da hidroxila (desidroxilação) e no colapso e desarranjo da sua estrutura, sem a cristalização dos óxidos resultantes (NASCIMENTO, 2009).

Segundo os estudos de Davidovits (1999)

temperaturas de calcinação entre 550-650°C ou maiores que 900°C, provocam

uma deficiência na perda de hidroxila, desta forma a temperatura considerada

ideal pelo autor para a calcinação da caulinita é de 750 - 800°C por 6 horas. A

transformação térmica da caulinita para metacaulinita é representa da pela

Figura 4.

Figura 5. Transformação térmica da caulinita para metacaulinita.

Fonte: Adaptada de Souza (2011).

Na produção do geopolímero segundo Li

metacaulins utilizados podem variar de acordo com o tamanho das partículas, pureza e cristalinidade da origem da caulinita, no entanto, essa variedade de formas quando incorporadas na mistura não afetam significativamente o comportamento reológico e o grau de reação álcali-ativado. Souza (2011) ressalta que as propriedades físicas e químicas do geopolímero são melhoradas com a metacaulinita, levando em consideração a origem, o

tamanho das partículas e as condições de

calcinação da matéria- prima. Além disso, a

metacaulinita de alta reatividade (produto

refinado e sem impurezas) melhora as propriedades mecânicas e a durabilidade do concreto (MEDINA, 2011).

3.3.2 Cinzas Volantes

As cinza volantes são resíduos provenientes da queima do carvão mineral, utilizado para produzir energia elétrica nas usinas termoelétricas (BIGNO, 2008). Estas cinzas possuem na sua composição basicamente cristais de sílica (SiO

), alumina (Al

O

), óxido férrico, Fe

O

, outros componentes tais como MgO, Na

O, K

O, SO

MnO e TiO

, bem como partículas de carbono não consumidas durante a combustão (SIQUEIRA, 2011). Em geral, são partículas mais finas do que o cimento Portland e cal, variando em diâmetro de menos de 1 µm e não mais do que 150 µm, além de possuir estrutura esférica (HARDJITO & RANGAN, 2005).

750 - 800°C Caulinita

Al2Si2O5(OH)⁴

Metacaulinita Al2Si2O7

As cinzas volantes são classificadas em classe F e classe C de acordo com a norma americana ASTM C 618. A classe F constitui todas as cinzas que apresentam baixo teor de cálcio (menor que 10% de CaO) e são obtidos da queima de antracito ou carvão betuminoso. Já a classe C apresenta alto teor de cálcio (percentuais entre 10 e 30% de CaO) e são produtos da queima de lignito ou carvão sub-betuminoso e tem propriedades pozolânicas e cimentícias (SIQUEIRA, 2011; HARJITO & RANGAN, 2005).

Segundo Vargas et al. (2007), as cinzas volantes são aproveitadas nas indústrias cimenteiras e concreteiras devido a sua propriedade pozolânica, no entanto, existe um sério problema econômico e ambiental quanto ao seu descarte, pois somente estas indústrias não conseguem suprir todo resíduo gerado. Para reaproveitar este subproduto e ajudar no problema ambiental, o autor afirma que as cinzas volantes podem ser utilizadas na produção de cimentos álcali-ativados, obtidos em um ambiente fortemente alcalino e que não necessita do clíquer na sua composição.

3.3.3 Escórias de Alto Forno

A escória de alto-forno é um resíduo decorrente da fabricação do ferro gusa, formado pelas reações químicas do minério de ferro e dos materiais fundentes. Além de conter aluminossilicatos, a escória ainda possui óxidos de ferro e manganês em sua composição. Bigno (2008) salienta que a escória é retirada na forma de um líquido, no qual é resfriado a 1350 – 1550 ºC de forma lenta ou rápida modificando as propriedades da matéria-prima.

Quando resfriada lentamente, a escória começa a cristalizar-se

formando cristais tais como mervinita, melilita e silicato dicálcico, diopsídio (nas

escórias ácidas). Nesta condição cristalina, a escória não possui característica

de aglomerante e neste caso pode ser utilizada como agregados. Quando

resfriada rapidamente, de forma que os íons não se organizem formando

cristais, é formada uma estrutura vítrea que possui maior nível de energia

comparada às escórias cristalinas. Este fato explica termodinamicamente o

poder aglomerante da escória, uma vez que os compostos hidratados têm

menor nível de energia, sendo por isso mais estáveis que as cristalinas (JOHN, 1995).

3.4 Ativadores químicos

As soluções ativadoras são predominantemente constituídas de metais alcalinos e alcalinos terrosos (ambos representados pela letra M) e são classificadas quanto à natureza por meio da sua composição química em (LIVI, 2013):

 Álcalis cáusticos ou hidróxidos: MOH;

 Sais não silicatos fracamente ácidos: M2

CO

, M

SO

, M

PO

, MF;

 Silicatos: M2

O. nSiO

;

 Aluminatos: M2

O.nAl

O

;

 Aluminossilicatos: M2

O.Al

O

.(2-6)SiO

;

 Sais não silicatos fortemente ácidos: M2

SO

.

Dentre dos ativadores mais utilizados em geopolímeros estão os hidróxidos de sódio ou de potássio; o carbonato de sódio; os silicatos de sódio ou de potássio e ainda misturas estruturadas destes compostos (CORREIA, 2011).

O tipo de ativador químico utilizado para obtenção do geopolímero é capaz de influenciar as características do produto. Deste modo, Bezerra

(2013) explica que a escolha do ativador deve estar relacionado com as características do precursor utilizado, já que a concentração do ativador adicionado influencia nas propriedades mecânicas dos produtos da geopolimerização.

Tashima

sódio em argamassas geopoliméricas utilizando Ecat como precursor não

melhora as propriedades mecânicas, devido à ausência de silicato na solução

de ativação. Sendo assim, ao utilizar uma solução alcalina composta de

hidróxido de sódio e silicato de sódio, obteve melhores valores de resistência

mecânica na mesmas condições de temperatura, cura e idade daquelas

argamassas ativadas somente por hidróxido de sódio. Livi (2013), ressalta que

o silicato de sódio utilizado na solução alcalina aumenta a disponibilidade de sílica para policondensação, dispensando assim a cura térmica e ainda proporciona resultados superiores de resistência mecânica.

3.5

Aplicações

A descoberta dessa nova classe de materiais inorgânicos, em 1973 por Joseph Davidovits, resultou em grande interesse científico relacionado ao entendimento das propriedades e ao desenvolvimento de aplicações do geopolímero em resinas, aglomerantes, cimentos e concretos. E desde a década de setenta que os estudos relacionados ao entendimento e a busca de aplicações para este material só vem crescento, como mostra a figura

Fonte: Autor

Os geopolímero tem atraído agora uma grande atenção por razões de

desempenho técnico e ambiental, mas sua química, processos de reação

(incluindo reologia), estrutura e durabilidade devem ser melhor compreendidos

(PROVIS, 2013). Provis (2013), afirma que durante a última década, apesar de

já terem feitos muitos avanços nesse sentido, ainda é necessário um

entendimento mais aprofundado, particularmente de sua caracterização em

várias escalas para compreender a influência das escalas nos processos das

reações químicas.

Figura 7-Espécies geopoliméricas desenvolvidas e quais aplicações

Fonte: Davidovits, 2002.

Segundo (DAVIDOVITS, 2002; Davidovits 2015.), os geopolímereros são novos materiais que podem ser empregados como material para revestimentos, novos ligantes para compósitos de fibras, encapsulamento de resíduos e novo cimento, como mostra a Figura 7. E afirma Davidovits, (2015):

―Por conta das suas propriedades os geopolímeros

podem ter diversas aplicações, a exemplo: Materiais

refratários, refratários de choque térmico, biotecnologias

(materiais para aplicações medicinais), indústria de fundição,

cimentos e concretos, materiais compósitos para reparação

e reforço de infraestruturas, Compósitos de alta tecnologia

para interior e automóvel de aviões, sistemas de resina de

alta tecnologia, encapsulamento de resíduos radioactivos e

tóxicos, artes e decoração, património cultural, arqueologia e história das ciências‖

3.5.1 Geopolímero para materiais de reparo

Diante do desempenho insatisfatório dos materiais de reparo existentes sob altas temperaturas, e da recorrência de problemas como fissuras e infiltrações, surge à necessidade de buscar novos materiais que sejam mais duráveis e que tenham um desempenho mais satisfatório do que os existentes.

Neste contexto, por conta de suas propriedades, o geopolímero surge como uma alternativa de material de reparo.

A primeira pesquisa envolvendo a aplicação do geopolímero como base para material de reparo foi publicada por Balaguru e Kurtz (1998), como mostra a Figura 8. Desde então, observou-se que os geopolímero apresentam potencial para ser um excelente material de reparo (WAZIEN et al., 2016).

Figura 8 Gráfico gerado a partir dos artigos indexados na plataforma SCOPUS até a data 20 dez 2016.

Fonte: Autor

Diante da importância de se desenvolver novos materiais para reparo de estruturas, Hu et al. (2008) analisaram a resistência de união entre o substrato e geopolímero e constataram que os materiais geopoliméricos possuem melhores características de reparação do que os materiais à base de cimento.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017*

Série1

Esse estudo feito por (HU,

escória de aço nas propriedades de materiais geopoliméricos utilizados em reparos estruturais. Para isso, na produção do geopolímero ele utilizou como percursor o metacaulim (produzido através da calcinação da caulinita a 750°C durante 6 horas), a escória de aço (resíduo de uma ursina chinesa) e o NaOH e silicato de sódio (SiO2 /Na2O razão molar 3,19) como solução ativadora . Ele produziu três materiais de reparo, de base cimentícia (traço 0.4:0.95:0.05), geopolimérica (Mk 1: solução alcalina 0.56) e de base geopolimérica com substituição parcial de 20% do metacaulim por escória de aço.

No seu estudo Hu

prismáticos (40x40x40 mm) nas idades de 8h, 1D, 3D, 7D, 28D, ensaio de aderência, resistência à abrasão e análise da microestrutura através do MEV.

Ele concluiu que até os 7 dias as argamassas geopoliméricas apresentaram um ganho de resistência mecânica superior ao da cimentícia, mas aos 28 dias o contrário acontece. Quanto à resistência a abrasão e a aderência ao substrato de concreto, as argamassas de matriz geopoliméricas apresentaram melhores resultados que a argamassa de reparo de matriz cimentícia.

Torgal

(2008), investigaram o potencial de utilizaçao de uma argamassa geopolimérica produzida através do tungstênio (resíduos de mina) como material de reparo de concreto. Nas análises, os ligantes geopoliméricos apresentaram força de ligação muito mais elevada mesmo em idades precoces comparada com os produtos comerciais de reparação.

Mazza (2010) estudou o comportamento mecânico e de aderência das argamassas geopoliméricas produzidas através do metacaulim para reparo/reforço, em entalhe, de vigas de concreto, chegando à conclusão que a argamassa geopolimérica melhora o desempenho da peça reparada nos entalhes e garante o aumento da carga de ruptura das vigas em relação à referência (graute), indicando-a como uma boa técnica para reforço das estruturas de concreto.

Mazza (2010) ressalta que a tecnologia dos materiais é capaz de

produzir argamassas geopoliméricas de elevado desempenho, podendo

apresentar uma durabilidade satisfatória frente a agentes agressivos e

aderência para que se restaurem as estruturas. Da mesma forma, Zhang et al.

(2010) salientam que os geopolímeros possuem baixa permeabilidade, são excelentes anti corrosivos e um ótimo agregado adesivo para pastas e argamassas. Considerando que as estruturas de concreto são vulneráveis ao ataque químico por conter uma elevada quantidade de cal, o geopolímero se mostra um excelente componente para reforço das estruturas.

Phoo-ngernkham et al. (2015), investigaram a utilização de argamassas geopoliméricas com cinzas volantes para reparo de estruturas de concreto. Os resultados indicaram que a argamassa geeopolimérica obteve elevadas resistências ao cisalhamento e de flexão comparativamente com o uso de argamassas convencionais, além disso, os resultados de microscopia electrônica de varredura indicaram que a zona de interface do concreto e da argamassa geopolimérica foi mais homogênea e mais densa. Portanto, este estudo confirma a idéia que o ligante geopolimérico é um produto alternativo para reparo de estruturas de concreto.

Duan

geopolimérica e impermeável. Para a produção desse geopolímero ele utilizou o metacaulim como percursor e a formulação 14.51% Na2O, 33.39% SiO2 e 48.53% H2O, com proporção de silicato de sódio e hidróxido de sódio igual a 8:1. Foram moladados CPs de 40x40x40

curados a 20°C e 95% de umidade relativa do ar. Ele analisou a trabalhabilidade desse material através dos ensaios de flow table e Vicat penetration test. A resistência à compressão axial foi analisada com a máquina universal de ensaios (capacidade de carga de 3000 kN, taxa de carga de 0,6 MPa/s) com 3 h, 6 h, 1 dia, 3 dias e 28 dias.

Ele concluiu que o material desenvolvido possui pega rápida, alta fluidez, superfície hidrofóbica, baixa absorção de água e alta aderência ao concreto (justificada pela alta densidade do material), constatada por meio da investigação da zona de transição.

Bezerra et al., (2013) , em seu estudo, avaliaram a influência da relação

Si/Na no desempenho mecânico de misturas compostas por resíduo da

cerâmica vermelha e hidróxido de sódio, como ativador alcalino.

Além desses estudos que comparam as argamassas geopoliméricas com as argamassas de reparo estrutural de base cimentícia, já existem trabalhos comparando o desempenho de materiais de reparo de matriz geopoliméricas com materiais poliméricos de reparo estrutural (Dufka

2013; Dufka et al.,2014). Eles avaliaram a possibilidade de uso da argamassa geopolimérica na reabilitação de estruturas de concreto armado, através do estudo comparativo com as propriedades das argamassas poliméricas mais utilizadas para reparo estrutural. Com base nesses estudos concluíram que as propriedades das argamassas geopoliméricas possibilitam o seu uso como material de reparo estrutural.

Bencardino, F., Condello, A. (2016), investigaram técnicas de reparo de elementos de concreto armado, cujo cobrimento estavam deteriorados e ou com que apresentavam corrosão nas barras. sistemas de reparo de vigas, utilizando SRGM (Steel Reinforced Geopolymeric Matrix)

Para Duan

em 3 horas), alta aderência e baixa absorção de água são propriedades que possibilitam a utilização da argamassa geopolimérica exposta fatores de ação deletéria como é o caso da utilização como revestimento de estruturas em ambientes marinhos e como material de reparos de pavimentos de concreto.

Zhang et al.,(2016) também traz um estudo experimental e uma análise comparativa das propriedades mecânicas e do comportamento térmico da argamassa geopolimérica (GM), das argamassas de reparo estrutural comerciais de matriz cimento-polímero modificado e das argamassas de reparo de matriz cimentícia. A argamassa geopolimérica estudada ele possui matriz composta por uma solução alcalina ativadora e uma mistura de metacaulim e cinza volante, como fonte de aluminosssilicatos na proporção de 15.8 wt%

K2O, 24.2 wt% SiO2 e 60 wt% H2O (SiO2/K2O razão molar de 2.4), já as argamassas polimérica e cimentícia utilizadas nesse estudo são industrializada.

Neste trabalho de Zhang H.,

flexão, compressão, tração e aderência de argamassa geopoliméricas em

substrato de concreto, à temperatura ambiente e após exposição a

temperaturas elevadas. Os dados destes testes são utilizados para avaliar a

flexão residual, a compressão, a resistência à tração e a aderência da argamassa geopolímera. A perda de massa, o fluxo térmico e a dilatação térmica foram medidos por análise TG-DSC e testes dilatométricos, para elucidar o mecanismo de degradação de resistência da argamassa geopolimérica a altas temperaturas.

A partir deste trabalho, Zhang H. et al.(2016) concluíram que a resistência à flexão, à compressão, à tração e à aderência da argamassa geopolimérica aumenta a 100 ° C, e depois diminui em 300-700°C. E que a argamassa de geopolímerica exibe boas características de ligação em argamassa de cimento ou substrato de concreto, devido à formação de hidratos de silicato de cálcio resultantes da reação interfacial entre a solução de silicato de potássio em argamassa de geopolímero e hidróxido de cálcio em argamassa de cimento ou substrato de concreto. Assim, argamassa de geopolímero pode ser eficaz como um material de reparo em estruturas de concreto de reforço.

Apesar do avanço do desenvolvimento de novos materiais geopoliméricos para aplicação na construção civil, ainda existe à necessidade de aprofundar os estudos a respeito da resistência mecânica, durabilidade e a sua aplicação em argamassas de reparo, levando em consideração as condições que serão expostos, a profundidade de reparo e ainda o tipo de resíduo precursor a ser utilizado.

4 METODOLOGIA

A seguir será exposto o procedimento experimental para a realização dessa pesquisa, assim como os métodos e técnicas para a caracterização dos materiais. O programa experimental por sua vez, será divido em quatro etapas.

A primeira etapa corresponde à coleta, beneficiamento e caracterização de materiais. A segunda etapa será a formulação dosagem e produção e caracterização do cimento geopolimérico. A terceira etapa está ligada dosagem da argamassa geopoliméricas de reparo, produção de materiais de reparo de base geopoliméricas, epoxídica e polimérica e caracterização desses materiais.

Por fim, a quarta etapa está ligada a moldagem e reparo de vigas de concreto

armado utilizando os materiais de reparo de base geopoliméricas e avalição do comportamento mecânico das vigasa repadas. Essas atividades serão desenvolvidas no laboratório de catálise do Instituto de Química da UFBA (LABCAT), no Timoshenko e no Centro Tecnológico das Argamassas (CETA), ambos na Escola Politécnica da UFBA.

4.1 Materiais

Para produção do geopolímero será utilizado como material percursor, fonte alumina e sílica, o metacaulim. A solução de ativação alcalina será composta por hidróxido de sódio (NaOH) e Sílica ativa.

Serão utilizadas argamassas comerciais de reparo de base epoxídicas e poliméricas. A argamassa de reparo de base epoxídica será comparada com a argamassa geopolímerica de reparo produzida. Já a argamassa de reparo de base polimérica será utilizada para comparar com a calda geopolímerica produzida para reparar vigas por meio de injeção.

Além disso, para a produção da argamassa geopolímerica e das vigas de concreto armado serão utilizados os agregados miúdo e graúdo disponíveis na região metropolitana de Salvador.

1.1.1 Água de Amassamento

Para a confecção das misturas será utilizada água potável, proveniente do sistema público de abastecimento de água de Salvador-BA, com o intuito de proporcionar trabalhabilidade e consistência ao material.

4.2 Metodologia

4.2.1 Primeira Etapa

A primeira etapa corresponde à coleta e caracterização física- química e mineralógica dos materiais que serão utilizados na pesquisa para produção do geopolímero.

4.2.1.1 Coleta dos Materiais

a) Cinza Vegetal