Análise do comportamento mecânico e microestrutral de argamassas geopoliméricas à base de metacaulim e resíduos cerâmicos refratários submetidas à ciclos térmicos

Abstract

Os geopolímeros representam uma classe de materiais em ascensão como possíveis substitutos de materiais aglomerantes à base de cimento Portland. São obtidos pelo processo de poli condensação no qual fontes ricas em óxidos de silício e alumínio são ativadas por um ambiente altamente alcalino, dando origem a um material ligante geopolimérico, com matriz tridimensional, que pode ser aplicado na produção de argamassas e concretos. Além de melhores propriedades como maior resistência inicial, estabilidade química e térmica, esses materiais também são ecológicos e sustentáveis, o que garante uma menor emissão de CO2 durante sua cadeia produtiva. Neste trabalho, foram desenvolvidas argamassas geopoliméricas produzidas a partir do uso de metacaulim como material precursor e fonte de aluminossilicato, e ativada alcalinamente com o silicato de potássio. Como material agregado optou-se por utilizar um resíduo refratário de louça sanitária, com relação em massa, entre o precursor e o agregado de 1:3. O foco da pesquisa foi avaliar o comportamento mecânico residual e a microestrutura das argamassas após uma exposição cíclica as temperaturas de 800º e 1000º. As principais análises e caracterizações realizadas no processo foram: difração de raios X (DRX), fluorescência de raio X (FRX), transformada de Fourier no espectro infravermelho (FTIR), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia por dispersão de energia (EDS) e microtomografia. Para avaliação do desempenho mecânico foi utilizado o ensaio de resistência à compressão. De acordo com os resultados, os ciclos térmicos aplicados nas argamassas, em ambas as temperaturas, alteraram a porosidade, a densidade e a resistência mecânica. A resistência mecânica residual das argamassas variou de 16 - 25Mpa, e a porosidade de 30 - 33%. Quanto a microestrutura, foi possível observar que após aplicação da temperatura de 1000ºC houve um aumento da microfissuração e uma interconexão da rede de poros. No entanto, cabe ressaltar que apesar da alta temperatura causar uma maior degradação na estrutura interna das amostras, as argamassas mantiveram 85% de sua resistência mecânica inicial após os ciclos de 800ºC, e 75% após os ciclos de 1000ºC. Com base nos resultados obtidos nesta pesquisa, confirma-se o potencial de utilização das argamassas geopoliméricas à base de metacaulim e resíduos cerâmicos refratários para obter produtos que devem suportar elevadas temperaturas e ciclos térmicos, tais como placas refratárias e revestimento de fornos.

Geopolymers represent a class of materials on the rise as possible substitutes for bonding materials based on Portland cement. They are obtained by the poly condensation process in which sources rich in silicon and aluminum oxides are activated by a highly alkaline environment, originating a geopolymer binding material, with a three-dimensional matrix, which can be used in the production of mortars and concrete. In addition to better properties such as greater initial resistance, chemical and thermal stability, these materials are also ecological and sustainable, which guarantees lower CO2 emissions during their production chain. In this work, geopolymer mortars were developed using metakaolin as precursor material and source of aluminosilicate, and alkalinely activated with potassium silicate. As aggregate material, it was decided to use a refractory waste of sanitary ware, with a mass ratio between the precursor and the aggregate of 1:3. The focus of the research was to evaluate the residual mechanical behavior and the microstructure of mortars after cyclic exposure to temperatures of 800º and 1000º. The main analyzes and characterizations carried out in the process were: X-ray diffraction (DRX), X-ray fluorescence (FRX), Fourier transform in the infrared spectrum (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersion spectroscopy (EDS) and microtomography. To evaluate the mechanical performance, the compressive strength test was used. According to the results, the thermal cycles applied to mortars, at both temperatures, altered porosity, density and mechanical strength. The residual mechanical strength of the mortars ranged from 16 - 25Mpa, and the porosity from 30 - 33%. As for the microstructure, it was possible to observe that after applying a temperature of 1000ºC there was an increase in microcracking and an interconnection of the pore network. However, it should be noted that despite the high temperature causing greater degradation in the internal structure of the samples, the mortars maintained 85% of their initial mechanical strength after the 800ºC cycles, and 75% after the 1000ºC cycles. Based on the results obtained in this research, the potential use of geopolymeric mortars based on metakaolin and refractory ceramic residues is confirmed to obtain products that must withstand high temperatures and thermal cycles, such as refractory plates and furnace linings.