UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE … · 2015-03-31 · Figura 4.3 Meros ou unidade de repetição dos principais polímeros empregados

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS - GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA - PPGEM

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

ADIÇÃO DE GEOMANTA E TECIDO NÃO TECIDO DE POLIPROPILENO EM

CIMENTOS GEOPOLIMÉRICOS DE PEGA RÁPIDA

Sânia Maria Belísio de Andrade Freitas

Natal-RN Março, 2007.

PPgEM Nº160






Dissertação submetida à


como parte dos requisitos para a obtenção do grau de

MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA

SÂNIA MARIA BELÍSIO DE ANDRADE FREITAS

Orientador: Prof. Ph.D. Antonio Eduardo Martinelli

Natal-RN

Março-2007.

Divisão de Serviços Técnicos Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede

Freitas, Sânia Maria Belísio de Andrade Adição de geomanta e tecido não tecido de polipropileno em cimentos geopoliméricos de pega rápida / Sânia Maria Belísio de Andrade Freitas. – Natal [RN], 2007. 103f. Orientador: Antonio Eduardo Martinelli. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. 1.Cimentos geopolimérico – Dissertação. 2. Geopolímeros de pega rápida - Dissertação. 3. Geomanta de prolipropileno - Dissertação. I. Martinelli, Antonio Eduardo. II. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. III. Título. RN/UF/BCZM CDU 666.94(043.3)






SÂNIA MARIA BELÍSIO DE ANDRADE FREITAS

Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de

MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA

Sendo aprovada em sua forma final.

Orientador: Prof. Ph. D. Antonio Eduardo Martinelli

BANCA EXAMINADORA

_______________________________________ Prof. Ph. D. Antonio Eduardo Martinelli - UFRN

_______________________________________ Prof. Dr. Eng. Rubens Maribondo do Nascimento - UFRN

_______________________________________

Profªªªª. Dr. Sc. Selma Hissae Shimura da Nóbrega - UFRN

_______________________________________ Prof. Dr. Ulisses Targino Bezerra -CEFET-PB

"...Mas os que esperam no Senhor renovarão

as suas forças, subirão com asas como

águias; correrão, e não se cansarão, andarão,

e não se fatigarão".

Isaías 40:31

"Há os que lutam um dia e são bons; Há

outros que lutam um ano e são melhores. Há

os que lutam muitos anos e são muito bons.

Mas há os que lutam toda a vida, e estes são

imprescindíveis."

(Bertold Brecht)

DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho primeiramente ao Mestre dos mestres: Deus.

Por todas as bênçãos que constantemente derramas em minha vida.

Aos meus avós, por ensinar a construir cada momento vivido.

Aos meus pais, pela dedicação no cuidado pessoal.

Ao meu esposo pelo amor que nos uniu.

AGRADECIMENTOS

As nossas realizações pessoais envolvem um número muito grande de contribuições, apoios,

sugestões, comentários ou críticas vindas de muitas pessoas. Todos os que passam em nossas

vidas, de alguma forma nos transmitem, ensinamentos que às vezes aparentemente simples

contribuem para a nossa formação. Ao encerrar mais uma etapa de minha vida acadêmica,

como a de elaborar uma dissertação de mestrado, gostaria de deixar registrada a minha

profunda gratidão:

A Deus, certamente a única presença em todos os momentos, meu verdadeiro amigo, que me

guia e incentiva nas minhas conquistas. Por me dar forças, motivação e todo direcionamento.

Por todo o apoio e fonte dos ensinamentos que Ele representa e que para traduzir as palavras

seriam poucas, enfim por me ajudar a desenvolver esse trabalho, em que tive o privilégio de

adquirir novos conhecimentos e espero também podê-los passar adiante, sempre que preciso

for .

Aos meus pais, Sônia Maria Belísio de Andrade e Severino Estevam de Andrade que sempre

estiveram presentes me incentivando a prosseguir nesta caminhada.

Aos meus avós maternos, Joana Belísio e Manuel Belísio (in memorian), exemplo de

seriedade, honestidade e decência, pelo carinho, confiança e apoio constante, que sempre me

deram, pois ele me falava com seu ‘saber da sabedoria’. Obrigado pelos ensinamentos meu

avô.

Aos meus avós paternos, Josina Tereza de Andrade e José Estevam de Andrade (in

memorian), pela alegria e pelo amor que sempre tiveram com a família.

Ao meu esposo, Jair Joventino de Freitas, pelo amor, amizade e carinho.

A Instituição Universidade Federal do Rio Grande do Norte.

Ao Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, pela contribuição em minha formação

acadêmica.

Ao Prof. Rubens Maribondo, coordenador do PPGEM.

Ao CAPES pelo apoio financeiro, concedido a esta Dissertação.

Ao Prof. Antonio Eduardo Martinelli, pela orientação, convivência, conhecimentos e pela

confiança.

Ao Engº Jaime Duran, junto à empresa MACCAFERRI pelo apoio e pelo fornecimento da

geomanta de polipropileno para o reforço que foi necessário para realização deste trabalho.

A Srª Camila Frederico, junto à empresa FITESA, pelo fornecimento do Tecido não tecido de

polipropileno para o reforço que foi necessário para realização deste trabalho.

Aos professores do curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, que de maneira direta

ou indireta participaram da elaboração e do amadurecimento do projeto de dissertação que

assumiu a forma aqui presente.

A todo o corpo técnico do Laboratório de Cimentos da UFRN, pelo apoio na execução dos

ensaios.

Aos membros da banca examinadora pelas opiniões valiosas e preciosas sugestões.

E a todos aqueles que, direta ou indiretamente, contribuíram para a realização desta

dissertação, desejo expressar o meu sincero reconhecimento.

A todos,

O meu muito obrigada.

SUMÁRIO

CAPÍTULO I

1 INTRODUÇÃO....................................................................................................................17

CAPÍTULO II

2 COMPÓSITOS.....................................................................................................................21

CAPÍTULO III

3.CIMENTO DE BASE ALCALINA E CIMENTO GEOPOLIMÉRICO.......................29

3.1 CIMENTOS DE BASE ALCALINA.................................................................................29

3.2 ZEÓLITAS.........................................................................................................................30

3.3 CIMENTOS GEOPOLIMÉRICOS....................................................................................36

3.3.1 Geopolimerização............................................................................................................42

3.3.2 Precursores Geopoliméricos: Caulim e Metacaulim........................................................43

3.3.3 Ativação Alcalina do Metacaulim....................................................................................46

CAPÍTULO IV

4. FASE DISPERSA DO CIMENTO GEOPOLIMÉRICO: REFORÇO

GEOSSINTÉTICO DE POLIPROPILENO - (GEOMANTA E TNT) ............................50

4.1 POLIPROPILENO.............................................................................................................50

4.2 GEOSSINTÉTICOS...........................................................................................................51

4.2.1 Terminologia e Classificação dos Geossintéticos...........................................................54

4.2.2 Matérias-Primas Utilizadas nos Geossintéticos..............................................................55

4.2.3 Principais Propriedades dos Geossintéticos....................................................................55

4.3 TNT (TECIDO NÃO TECIDO)........................................................................................56

CAPÍTULO V

5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL...........................................................................58

5.1 FORMULAÇÃO E GEOSSÍNTESE.................................................................................59

5.2 REOLOGIA.......................................................................................................................60

5.3 PEGA.................................................................................................................................61

5.4 PREPARAÇÃO DOS COMPÓSITOS..............................................................................63

5.5 RESISTÊNCIA À TRAÇÃO POR COMPRESSÃO DIAMETRAL................................65

5.6 RESISTÊNCIA À TRAÇÃO POR COMPRESSÃO DIAMETRAL EM IDADES.........67

5.7 CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL E FRATOGRÁFICA............................67

CAPÍTULO VI

6 RESULTADOS E DISCUSSÃO........................................................................................69

6.1 PROPRIEDADES REOLÓGICAS DO GEOPOLIMÉRO...............................................69

6.2 PEGA.................................................................................................................................71

6.3 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS CIMENTOS GEOPOLIMÉRICOS...................74

6.4 RESISTÊNCIA À TRAÇÃO POR COMPRESSÃO DIAMETRAL EM IDADES..........79

6.5 CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL E FRATOGRÁFICA.............................86

CAPÍTULO VII

7 CONCLUSÕES...................................................................................................................95

SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS............................................................... 96

REFERÊNCIAS.....................................................................................................................97

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 Composição de um compósito...............................................................................22

Figura 2.2 Representação esquemática de uma fissura em um compósito reforçado com

fibras.................................................................................................................................... 24

Figura 2.3 Interação fibra-matriz, em uma matriz não fissurada: a) não carregada; b)

tracionada e c) comprimida ......................................................................................................25

Figura 3.1 Formação das Zeólitas............................................................................................31

Figura 3.2 Unidades estruturais básicas das zeólitas...............................................................33

Figura 3.3 Unidades de construção secundária........................................................................34

Figura 3.4 Esquema de estruturas moleculares de polissialatos..............................................38

Figura 3.5 Estrutura do polissialato do tipo sodalita...............................................................39

Figura 3.6 Esquema do mecanismo de geopolimerização......................................................42

Figura 3.7 Estrutura da caulinita.............................................................................................44

Figura 3.8 Transformações térmicas da caulinita....................................................................45

Figura 3.9 Estrutura hexagonal de caulinita bem cristalizada.................................................46

Figura 3.10 Aspectos Estruturais e Nomenclatura..................................................................48

Figura 4.1 Aplicações típicas de geossintéticos e de proteção ambiental...............................52

Figura 4.2 Principais propriedades dos geossintéticos...........................................................55

Figura 4.3 Meros ou unidade de repetição dos principais polímeros empregados na fabricação

dos geossintéticos....................................................................................................................56

Figura 5.1. Representação esquemática da metodologia experimental..................................58

Figura 5.2 Viscosímetro rotacional de cilindros coaxiais Chandler, modelo 3500................60

Figura 5.3 Agulha de Vicat....................................................................................................62

Figura 5.4 Geomanta de polipropileno...................................................................................64

Figura 5.5 TNT de polipropileno............................................................................................64

Figura 5.6 Solução de KOH e de silicato. b) Adição do precursor geopolimérico c) Mistura

geopolimérica vertida nos moldes cilíndricos com reforço de TNT e geomanta em espiral d)

Amostra de geopolímeros.........................................................................................................65

Figura 5.7 Sistema do ensaio de compressão diametral..........................................................67

Figura 6.1 a) Pasta geopolimérica relação 1:0,8 b) Pasta geopolimérica relação 1:1,5 c) Pastas

geopolimérica relação 1:1,6 d) Pastas geopolimérica relação 1:1,8.........................................69

Figura 6.2 Curvas de tensão de cisalhamento versus taxa de cisalhamento de pastas

geopoliméricas..........................................................................................................................70

Figura 6.3 Tempo de pega de cimentos geopoliméricos com relação (a) 1:0,8; (b) 1:1,5.......72

Figura 6.3 Tempo de pega de cimentos geopoliméricos com relação (c) 1:1,6 e (d) 1:1,8.....73

Figura 6.4 Curva de força por deslocamento...........................................................................74

Figura 6.5 Curvas de forças por deslocamento de cimentos geopoliméricos sem reforço em

ensaios de tração por compressão diametral.............................................................................75

Figura 6.6 Presença de poros no momento da fratura do geopolímero relação 1:1,8..............76

Figura 6.7 Curvas de forças por deslocamento em ensaios de tração por compressão

diametral de cimento geopolímero com e sem reforço de TNT e geomanta de PP, relação

1:1,5...........................................................................................................................................76

Figura 6.8 Curvas de forças por deslocamento em ensaios de tração por compressão

diametral de cimento geopolímero sem reforço, com reforço de TNT e geomanta de PP

relação 1:1,6..............................................................................................................................77

Figura 6.9 Curvas de forças por compressão de ruptura em ensaios de ensaios de tração por

compressão diametral de cimento geopolímero sem reforço, com reforço de TNT e geomanta

de PP relação 1:1,8...................................................................................................................78

Figura 6.10 Curvas de forças por deslocamento do geopolímero com reforço de (a) geomanta,

relação 1:1,5 _ 7 dias e (b) TNT relação 1:1,5 _ 7 dias............................................................80


relação 1:1,5 _ 28 dias e (b) TNT relação 1:1,5 _ 28 dias........................................................81

Figura 6.12 Curvas de força por deslocamento do geopolímero com reforço de (a) geomanta,

relação 1:1,5 _ 63 dias e (b) . TNT relação 1:1,5 _ 63 dias......................................................82


relação 1:1,5 _ 91 dias e (b) TNT relação 1:1,5 _ 91 dias........................................................83

Figura 6.14 Curvas de forças de deslocamento do geopolímero com reforço de (a) geomanta

relação 1:1,5 _ 182 dias e (b) TNT relação 1:1,5 _ 182 dias....................................................84

Figura 6.15 a) Micrografia geopolímero sem reforço. (1) presença de vazios b) Micrografia

geopolímero com geomanta de polipropileno. (2) geomanta, (3) zona de interface.................87

Figura 6.15 c) Micrografia geopolímero com geomanta de polipropileno. (4) geomanta d)

Micrografia de geopolímero com reforço de TNT de polipropileno. (5) TNT, (6)

interface.....................................................................................................................................88

Figura 6.16 (a) Micrografia eletrônica do geopolímero sem reforço. (b) Micrografia

eletrônica do geopolímero sem reforço demonstrando a zona da matriz no local da fratura (1)

e vazios......................................................................................................................................90

Figura 6.16 (c) Micrografia eletrônica do geopolímero com reforço demonstrando a zona de

interface matriz/geomanta no local da fratura (3). (d) Micrografia eletrônica do geopolímero

com reforço demonstrando a zona de interface matriz/geomanta no local das fraturas (4 e 5) e

a região selada da interface (6)..................................................................................................91

Figura 6.16 (e) Micrografia eletrônica do geopolímero com reforço demonstrando a zona de

interface matriz/geomanta no local da fratura (7). (f) Micrografia eletrônica do geopolímero

com reforço demonstrando a zona de interface (9) matriz/TNT no local da fratura

(8)..............................................................................................................................................92

Figura 6.16 (g) Micrografia eletrônica do geopolímero com reforço demonstrando a zona de

interface matriz/TNT no local da fratura (10). (h) Micrografia eletrônica do geopolímero com

reforço demonstrando a zona de interface matriz/TNT (12) no local da fratura, (11) bolhas

(13) TNT...................................................................................................................................93

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 Fórmulas naturais das zeólitas mais comuns..........................................................32

Tabela 3.2 Grupos estruturais das zeólitas...............................................................................34

Tabela 4.1 Comparação da densidade, isolação térmica e absorção de umidade entre as

fibras..........................................................................................................................................51

Tabela 5.1 Componentes utilizados na síntese.........................................................................59

Tabela 6.1 Parâmetros reológicos para as pastas geopoliméricas preparadas com metacaulim,

relações 1: 1,5; 1:1,6 e 1:1,8......................................................................................................70

Tabela 6.2 Tempo de pega das misturas..................................................................................74

Tabela 6.3 Resistência à tração por compressão diametral para relação ativador/metacaulim,

sem e com reforço de geomanta e TNT...................................................................................79

Tabela 6.4 Resistência à tração por compressão diametral em função da idade para relação

ativador/metacaulim 1:1,5........................................................................................................85

Tabela 6.5 Retração dos geopolímeros em relação ao ensaio de durabilidade.......................86

SÍMBOLOS ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas

ASTM - American Society for Testing and Materials

Gi - gel inicial; tensão gelificante obtida após 10 segundos de repouso

Gf - gel final; tensão gelificante obtida após 10 minutos de repouso

LE - Limite de Escoamento

PP - Polipropileno

RC - Resistência à Compressão

TNT - Tecido não tecido

VP - Viscosidade Plástica

RESUMO

Geopolímeros são materiais cimentantes que apresentam uma série de vantagens quando

comparados ao cimento Portland. Ao contrário deste, a síntese de geopolímeros é feita em

temperaturas próximas da ambiente, reduzindo significativamente a emissão de CO2 para a

atmosfera. Além disso, tanto a composição quanto às condições das reações de síntese podem

ser ajustadas para que os materiais resultantes tenham o tempo de pega e as propriedades

mecânicas desejadas. Desta forma, é possível produzir geopolímeros de pega rápida e com

resistências mecânicas relativamente altas, embora seu comportamento seja intrinsecamente

frágil. Nesse contexto, o objetivo do presente trabalho foi estudar a produção e as

propriedades de compósitos produzidos a partir do reforço de matrizes geopoliméricas com

polipropileno, a fim de reduzir o caráter frágil dos materiais. Para esta finalidade foram

empregados geosintéticos (geotêxteis e geomanta) de polipropileno. Esses materiais têm sido

amplamente utilizados com reforço estrutural, proporcionando maiores resistências à tração e

tenacidade. Em particular, tecidos não tecidos e geomantas de polipropileno apresentam

outras propriedades atraentes como baixa densidade, durabilidade, absorção ao impacto e

resistência à abrasão. Geopolímeros de pega rápida foram sintetizados e reforçados com

tecido não tecido e geomanta de polipropileno. A resistência mecânica dos geopolímeros, com

e sem reforço, foi avaliada. Os resultados mostraram que o ajuste na formulação do

geopolímero permitiu produzir pastas com tempos de pega relativamente curtos e ao mesmo

tempo, mantê-las com a fluidez necessária para o recebimento do reforço. Comprovou-se que

a presença de geosintéticos aumentou a energia de fratura do geopolímero, sendo que os

melhores resultados foram alcançados com reforço de TNT.

Palavras chaves: geopolímeros, pega rápida, geomanta, tecido não tecido.

ABSTRACT

Geopolymers are cementing materials that depict a number of advantages compared to

Portland cement. Contrary to the latter, geopolymers are synthesized at room temperature,

thus significantly reducing the emission of CO2 to the atmosphere. Moreover, the composition

and synthesis reactions can be tailored to adjust the setting time of the material as well as its

compressive mechanical strength. It is then possible to produce geopolymeric cements with

short setting times and high compressive strength, although relatively brittle. The objective of

the present study was to produce and characterize composite materials by reinforcing fast-

setting geopolymeric matrixes with polypropylene geosynthetics (geomats and geotextiles) in

an attempt to improve the toughness and tensile strength of the cementing material.

Geosynthetics have been increasingly used to reinforce engineering structures, providing

higher strength and better toughness. In particular, polypropylene nonwoven and geomats

depict other attractive properties such as low density, durability, impact absorption and

resistance to abrasion. Fast-setting geopolymers were then synthesized and reinforced with

polypropylene nonwoven and geomats. The mechanical strength of the materials, reinforced

or not, was characterized. The results showed that relatively short setting times and adequate

flowing behavior were achieved by adjusting the composition of the geopolymer. In addition,

it is possible to improve the fracture resistance of geopolymeric cements by adding

polypropylene geosynthetics. The best results were achieved by reinforcing geopolymer with

polypropylene TNT.

Keywords: geopolymers, fast-setting, geomat, nonwoven.

CAPÍTULO I

1 INTRODUÇÃO

Estudos têm sido realizados para o desenvolvimento de novos materiais para o uso na

construção civil. Entre eles, a ativação com soluções alcalinas de aluminossilicatos, tais como

o metacaulim, obtendo-se os denominados geopolímeros (SILVA; THAUMATURGO, 2002).

A ativação alcalina de resíduos, especialmente aqueles oriundos de atividades industriais ou

de mineração tem se tornado uma importante área de pesquisa. O atrativo é a possibilidade de

se usar esses materiais para sintetizar cimentos economicamente mais viáveis e

ecologicamente corretos, assim abrem-se novas oportunidades para a produção de cimentos

especiais com propriedades diferentes daquelas apresentadas pelo Portland comum.

Os geopolímeros foram inicialmente estudados por Davidovits, que desenvolveu um

programa experimental de investigação que levou à formulação de compostos inorgânicos de

base polimérica, obtendo produtos com boas propriedades cimentícias, redução de tempo de

pega e elevada estabilidade, entre outros aspectos (DAVIDOVITS, 1988).

O cimento geopolimérico possui inúmeras vantagens em relação ao cimento Portland.

A principal é a redução da emissão de dióxido de carbono (CO2) para a atmosfera na fase de

produção. A composição e a síntese de geopolímeros determinam suas características de pega,

bem como seu comportamento mecânico final. Em especial, alguns geopolímeros apresentam

características de pega rápida ou instantânea (SILVA, 2000). A pega inicial que ocorre

durante o endurecimento da pasta, proporciona um aumento de sua resistência à compressão.

A taxa de endurecimento ou pega de geopolímeros depende do tipo de meio básico utilizado.

O controle do tempo de pega por meio de diversas razões molares ativadoras permite a

utilização dos geopolímeros em aplicações diversas.

Um dos passos mais importantes na elaboração de um projeto de engenharia é a

seleção de um material adequado que tenha acima de tudo propriedades mecânicas adequadas

e durabilidade. Segundo a norma ASTM D3878-95, um compósito é formado por dois ou

mais materiais, insolúveis entre si, que são combinados para formar um com propriedades que

não se encontram isoladamente. As matrizes mais empregadas na construção civil são frágeis,

ou seja, não apresentam deformações plásticas e incluem, argamassa, concreto de cimento

Portland ou outro aglomerante (cal ou gesso).

Nos dias de hoje, são bastante empregados na construção civil os compósitos à base de

cimento: pastas, argamassas e concretos fibrosos. As matrizes desses compósitos são frágeis e

se rompem com pequena deformação sob esforços de tração. Apesar da boa resistência aos

esforços de compressão, não suportam grandes solicitações de tração e cargas dinâmicas. Para

compensar essa deficiência, outros materiais são empregados como reforço dos materiais a

base de cimento.

Uma grande vantagem de o compósito ter matriz cimentícia é o fato de ser um

material de construção simples, barato, pode ser produzido com uso de equipamentos simples,

ser moldado adquirindo qualquer forma, sendo um material de boa resistência e vida útil

(AZIZ; PARAMASIVAM; LEE, 1981). Sabe-se que a qualidade dos componentes das

matrizes cimentícias não é mais caracterizada apenas pela resistência que apresentam

(MEHTA; MONTEIRO, 1994), mas deve refletir outras propriedades que influenciam o

desempenho global do material, tanto no estado fresco quanto no estado endurecido tais como

trabalhabilidade e durabilidade.

Materiais geopoliméricos podem apresentar menor fragilidade devido ao seu

comportamento elástico não-linear, provocado pela relaxação e redistribuição de tensões antes

da ruptura (PEREIRA; SILVA; THAUMATURGO, 2005). Os reforços utilizados em

compósitos poliméricos geralmente são de origem sintética como os geotêxteis de

polipropileno. Com a crescente utilização dos geossintéticos em obras de engenharia e

considerando-se que seus projetos devem ser feitos para uma vida útil bastante longa, surge a

preocupação com a continuidade da eficiência desses materiais com o passar do tempo,

levantando-se questões quanto ao seu desempenho e durabilidade.

Um dos benefícios da utilização de reforços em matrizes cimentícias é claramente

observado no comportamento pós - fissuração do compósito. Ele não apresenta ruptura frágil,

passando a apresentar, eventualmente, maiores deformações até a ruptura, levando a um

aumento da tenacidade e resistência ao impacto. Ou seja, o compósito apresenta um

comportamento mais dúctil ao invés da ruptura brusca que ocorre em cimentos não

reforçados. A presença de fissuras na superfície de uma estrutura aumenta os cuidados, os

custos de manutenção e diminui a qualidade funcional do local. O reforço de TNT e a

geomanta de polipropileno devem ser incorporados a matriz cimentícia em situações onde

existam riscos de ocorrer fissuras de retração, exsudação ou segregação. Eles ampliam a

resistência de carga na matriz, possibilitando assim uma maior deformação. O emprego de

materiais sintéticos na construção civil vem crescendo nas últimas décadas e são diversos os

tipos existentes no mercado, com as mais diferentes características e funções.

O uso de fibras ou filamentos poliméricos tem se tornado atrativo para reforçar

materiais como cimento e argamassas, especialmente nas últimas décadas (BENTUR;

MINDESS, 1990; BALAGURU; SLATTUM, 1995). A escolha do polipropileno para os

reforços do cimento geopolimérico foi motivada por sua natureza termoplástica e custo

inferior em relação a outras resinas de larga produção. Além disso, o polipropileno ainda

apresenta baixa densidade, boa tenacidade, bom equilíbrio de propriedades térmicas, químicas

e elétricas, durabilidade, baixa permeabilidade, alta resistência mecânica, absorção de energia

por impacto e resistência à abrasão.

Quanto ao ataque de álcalis (substâncias que produzem íons hidróxidos, OH-, ao

dissolver-se em água) do cimento que degradam as fibras, tanto a geomanta como o TNT de

polipropileno não sofre degradação, resistem a ataques químicos e não são afetados por

soluções aquosas de sais inorgânicos ou ácidos e bases minerais (PEREIRA, 2006).

Contudo, apesar da grande gama de reforços sintéticos já utilizados na construção

civil, neste trabalho, optou-se pela empregabilidade de geossintéticos (TNT e geomanta de

polipropileno) para reforço de cimentos geopoliméricos de pega rápida a fim de prevenir

fissuras em estruturas aplicadas em pavimentações, pisos aeroportuários, plataformas, entre

outros. Várias comparações têm sido feitas entre os termoplásticos e outros materiais. Até

hoje os fatores mais considerados têm sido o peso e a facilidade de transformação. Nesse

estudo, ensaios experimentais de cimentos geopoliméricos de pega rápida com reforços de

polipropileno (geossintéticos - geotêxtil e geomanta) foram realizados a fim de contribuir para

a elaboração de leis confiáveis que se ajustem à literatura científica e às recomendações de

normas internacionais para a aplicação do cimento geopolimérico de baixa densidade na

construção civil.

O presente trabalho teve como principal objetivo formular e caracterizar compósitos

com reforço de geossintéticos. Para isso utilizou-se um cimento geopolimérico inorgânico à

base de metacaulim de pega rápida, alta resistência inicial e curável a temperatura ambiente.

Além da síntese e ajuste da formulação do cimento geopolimérico de pega rápida, estudou-se

a produção de compósitos desse cimento com reforço de TNT e geomanta de polipropileno.

Foi analisada a resistência mecânica e o comportamento de fratura desses compósitos.

CAPÍTULO II

2 COMPÓSITOS

Os materiais de engenharia podem ser amplamente classificados em metais, polímeros,

cerâmicos e compósitos. Segundo Beaumont (1989), observa-se que dentre as diversas

maneiras de avaliação do padrão de vida de um país ou de uma sociedade, o consumo de

materiais de engenharia por indivíduo, disponíveis na forma de bens e serviços, pode ser uma

das mais explícitas. Os bens manufaturados que sejam de consumo ou de produção são

obtidos por meio de conversão dos materiais de engenharia adicionando-lhes valor.

A história tem demonstrado que quanto mais eficientemente os sistemas de produção

são capazes de realizar esta conversão, maior é o padrão de vida da sociedade. Historicamente

a concepção de fibras como reforço é muito antiga. Existem registros de argila reforçada com

palha para tijolos no Antigo Egito, barras de ferro em formato cilíndrico que foram usadas

para reforço de alvenaria no século 19, direcionado para o desenvolvimento do concreto

reforçado com aço. Resinas fenólicas reforçadas com fibras de amianto começaram a ser

utilizadas no século 20.

O primeiro barco construído com fibra de vidro foi em 1942. Plásticos reforçados

também foram usados em aeronaves e componentes elétricos nesta época. Filamentos

bobinados foram inventados em 1946 e incorporados em aplicações de mísseis em 1950. A

primeira utilização do boro e fibras de carbono de alta resistência foi próxima de 1960, com

aplicações de compósitos avançados para componentes de aeronaves em 1968

(BITTENCOURT, 2001).

Em 1970, introduziu-se o compósito com matriz de metal tal como boro/alumínio. A

Dupont desenvolveu a fibra Kevlar (ou aramida) em 1973. Ao final dos anos 70 as aplicações

dos materiais compósitos começaram a expandir-se com aplicações em aeronaves, em

automóveis, bem como nos esportes e nas indústrias biomédicas. Os anos 80 foram marcados

por um aumento significativo da utilização de fibras com altos módulos de Young.

Aplicações diversas, incluindo tubos subterrâneos e recipientes, embarcações, veículos

de solo, aeronaves e estruturas aeroespaciais, componentes automobilísticos, equipamentos

esportivos, produtos biomédicos e muitos outros estão sendo projetados para apresentarem

elevado desempenho mecânico e/ou estabilidade associadas ao baixo peso.

Os materiais compósitos podem surgir de combinações entre metais, material

cimentício, cerâmicas, polímeros e outros. As possíveis combinações dependem das

condições de processamento e do adequado ajuste das prováveis incompatibilidades entre os

componentes.

Segundo a norma ASTM D3878-95, um compósito é constituído de dois ou mais

materiais, insolúveis entre si, que são combinados para formar um de engenharia útil com

certas propriedades que não se encontram isoladamente.

Um compósito estrutural é constituído de duas ou mais fases na escala macroscópica,

cujo desempenho mecânico e propriedades são escolhidos para que os materiais constituintes

atuem independentemente. Uma destas fases normalmente é descontínua, rígida e mais

resistente, chamada de reforço, enquanto que a fase menos resistente é contínua, chamada de

matriz. Algumas vezes, por causa da interação química ou outros efeitos de processo, uma

fase adicional, chamada interface, existe entre o reforço e a matriz (Figura 2.1).

Os materiais compósitos estão sendo empregados cada vez mais em substituição aos

materiais tradicionais, monolíticos, cujas características individuais não atendem às crescentes

exigências de melhor desempenho, segurança, economia e durabilidade. Os compósitos de

matrizes metálica, polimérica e cerâmica ocupam posições de destaque no campo dos

materiais avançados, incentivando cada vez mais a concentração de esforços em pesquisas

nesta área.

Figura 2.1 Composição de um compósito (MANO, 1991).

Interface

Fase contínua (matriz)

Fase descontínua (elemento

de reforço)

As construções civis empregam matrizes frágeis: pastas, argamassas e concretos. Estas

matrizes, na sua maioria são derivadas de aglomerantes minerais, rompem-se sem deformação

plástica e, apesar de resistentes a esforços de compressão, não suportam grandes solicitações

de tração e cargas dinâmicas.

Compósitos para aplicações estruturais geralmente utilizam fibras sintéticas ou

naturais como agente de reforço. As fibras de polipropileno e de nylon são as mais usadas,

haja vista seu baixo custo e a facilidade de uso. A vantagem dos compósitos é que eles

normalmente exibem qualidade melhor do que a de seus constituintes e freqüentemente

algumas qualidades que nenhum constituinte seu sozinho possui.

Em função do tipo, da geometria e da orientação do reforço os materiais compósitos

são classificados em: compósitos granulares, compósitos de fibras descontínuas e contínuas.

Os primeiros são formados por partículas de vários tamanhos e formas, dispersos

aleatoriamente na matriz. Devido a essa aleatoriedade, tais compósitos podem ser

considerados quase-homogêneos e quase-isotrópicos se examinados numa escala maior que o

tamanho das partículas. Os de fibras descontínuas apresentam como reforço pequenas fibras

enquanto que os de fibras contínuas são reforçados por longas fibras contínuas e são mais

eficientes do ponto de vista de rigidez e resistência mecânica. As fibras podem ser todas

paralelas (unidirecional), dispostas perpendicularmente (bidirecional) ou orientadas em vários

ângulos (multidirecional).

Quanto ao material constituinte da matriz, os compósitos podem ser: compósitos de

matriz polimérica, de matriz metálica e de matriz cerâmica. Os primeiros dividem-se em

termorrígidos (epóxi, poliamida, poliéster) e termoplásticos (poli-eter-eter-cetona (PEEK),

poli-sulfona (PSU), poli-eterimida (PEI)) reforçados com fibras de vidro, boro, carbono,

aramida (Kevlar), usados, fundamentalmente, em aplicações a baixas temperaturas. Os de

matriz metálica consistem em ligas metálicas (alumínio, magnésio, titânio, cobre) reforçados

com fibras de boro, carbono ou cerâmicas e sua temperatura de serviço máxima é definida

pela temperatura de fusão da matriz. Os de matriz cerâmica consistem de cerâmica (carbeto de

silício, óxido de alumínio, vidro, nitreto de silício) reforçada com fibras cerâmicas. São

indicados para aplicações a altas temperaturas.

O compósito reforçado depende de alguns fatores considerados importantes na sua

estrutura interna e estão relacionados à capacidade do mesmo em absorver os esforços aos

quais foram submetidos, ou seja, da sua tenacidade e da manutenção de integridade das

características da sua microestrutura. Essas propriedades dependem do tipo e das

características da matriz, do tipo e da rigidez da fibra ou filamentos empregados, e das

características da interação entre esses dois constituintes.

A Figura 2.2 mostra esquematicamente uma fissura em um compósito reforçado com

fibras na qual exibe-se um esquema ilustrativo das diversas situações em que as fibras podem

atuar, tanto na absorção de energia como no controle de propagação de fissuras: o número (4)

representa uma fibra rompida, o (3) representa uma fibra arrancada, o número (2) exemplifica

um caso onde a fibra se mantém integra e no caso apresentado da fibra (1), a mesma se

apresenta íntegra se deformando e absorvendo parcialmente a energia a qual o material está

submetido (COUTTS, 1986).

Figura 2.2 Representação esquemática de uma fissura em um compósito reforçado com

fibras (COUTTS, 1986).

Os mecanismos de transferência de tensões podem ser avaliados através dos ensaios de

arrancamento de fibras, que simulam a ponte de transferência de tensões feita pelas mesmas e

permitem uma avaliação da contribuição das fibras na tenacidade do compósito.

A fratura raramente ocorre de modo catastrófico, mas tende a ser progressiva com

falhas subcríticas dispersas através do material, o que constitui uma vantagem. Dessa forma, a

estrutura interna dos compósitos e a interação de suas fases que, por sua vez é função da

aderência entre fibra e matriz, influenciam de forma significativa no desempenho e na

durabilidade. A aderência é influenciada, em grande parte, pelas características da zona de

transição (região da pasta endurecida próxima à fibra, com espessura entre 10 µm e 100 µm, e

que apresenta características diferenciadas do restante da matriz) (SAVASTANO; DANTAS;

AGOPYAN, 1994). Maior aderência pode ser conseguida através da melhora do desempenho

da zona de transição entre o reforço e a matriz, fazendo com que as duas fases trabalhem

solidariamente.

Alguns fatores podem contribuir para melhor desempenho da zona de transição,

destacando-se entre eles a morfologia e rugosidade do reforço, sua absorção e porosidade. O

conhecimento da interação entre o reforço e a matriz é importante para o entendimento do

mecanismo responsável pela transferência de tensões da matriz para as fibras, antes e após a

ruptura da mesma. Com este conhecimento, estima-se a curva tensão-deformação do

compósito ou como acontecerá a ruptura do material (GUIMARÃES, 2001).

Segundo Nunes (1998), os principais parâmetros que interferem na interação entre a

matriz e as fibras são: condição da matriz (se a mesma está ou não fissurada), composição da

matriz, geometria da fibra ou filamentos, tipo de material da fase dispersa, rigidez da fibra ou

filamento, características de sua superfície e volume de fibras no compósito ou teor de fibras.

Quando a carga é aplicada na matriz, antes de ocorrer sua ruptura, parte da carga é

transferida para o reforço ao longo da superfície, ou seja; ela é o principal suporte constituinte

que governa as propriedades mecânicas do material. Propicia proteção e suporte para a fase

dispersa. A interface, apesar de pequena em tamanho, pode apresentar importante função no

controle dos mecanismos de falhas, tenacidade à fratura, entre outros.

Devido à diferença entre os módulos de deformação da matriz e do reforço, tensões de

cisalhamento desenvolvem-se ao longo da superfície do reforço. Estas tensões ajudam a

transferir parte da carga aplicada na matriz para as fibras ou filamentos, como ilustra a Figura

2.3 (BALAGURU; SHAH, 1992).

Figura 2.3 Interação fibra-matriz em uma matriz não fissurada: a) não carregada; b)

tracionada e c) comprimida.

a) b) c)

A transferência de tensão da matriz para a fibra ocorre por combinação de dois

mecanismos básicos: mecanismo elástico e o mecanismo por atrito (BENTUR; MINDESS,

1990). O mecanismo elástico é dominante enquanto as tensões de cisalhamento na interface

fibra matriz não superam o limite de resistência ao cisalhamento, ou seja, não há

descolamento, o que ocorre na etapa de pré-fissuração do compósito. Após a fissuração da

matriz, o mecanismo de transferência de tensões passa gradualmente de elástico para o

mecanismo por atrito. Até este ponto a fibra não atua como ponte de transferência de tensões

através da fissura.

Em função das características peculiares da zona de transição fibra-matriz, a tensão de

cisalhamento por aderência elástica supera a resistência ao cisalhamento da interface,

provocando o descolamento da fibra e posterior escorregamento e arrancamento da mesma.

Há o deslocamento relativo entre a fibra e a matriz e as tensões são transferidas através do

atrito fibra-matriz.

A tensão de cisalhamento por atrito é uniformemente distribuída ao longo da interface

fibra-matriz. Neste ponto, a fibra atua como ponte de transferência de tensões. O mecanismo

de transferência por atrito é o predominante na etapa pós-fissuração, onde o gasto energético

para o arrancamento da fibra é muito elevado, o que caracteriza a elevada tenacidade do

compósito.

Segundo Bentur e Mindess (1990), se a resistência da matriz for alta, provavelmente o

desligamento ocorrerá antes da fissuração da matriz, quando a tensão de cisalhamento exceder

a resistência de aderência fibra/matriz. Por outro lado, sob o ponto de vista destes autores, em

concretos com baixa resistência à tração, a fissuração pode preceder o descolamento. Neste

caso, o descolamento da fibra poderá ocorrer quando a fissura interceptar a fibra em função da

aderência do reforço em relação a matriz.

Após o descolamento da fibra, com a propagação da fissura, as fibras são rompidas ou

arrancadas da matriz. Neste último caso, o mecanismo de transferência de tensões acontece

por atrito. Propriedades como resistência última e deformações do compósito são dependentes

deste mecanismo (GUIMARÃES, 2001).

Foi observado que quanto maior a abertura da fissura, maior a concentração de tensões

em suas extremidades. A concentração de tensões promove a continuidade do processo de

aumento da abertura de fissuras (TANESI, 1999).

À medida que se eleva o teor de fibras, a resistência residual pós-fissuração do

compósito cresce, perdendo as características de fragilidade típicas de matrizes cimentícias.

Isto porque o gasto de energia para a deformação plástica da fibra e arrancamento da fibra da

matriz será maior, em decorrência de um maior número de fibras e da diminuição da abertura

de fissura (TANESI; FIGUEIREDO, 2000).

Segundo os mesmos autores, o volume crítico de fibras de baixo módulo é maior que o

das fibras de alto módulo de elasticidade. Além disso, a eficiência das fibras de baixo módulo

será tão maior quanto menor for o módulo de elasticidade da matriz, o que ocorre nas

primeiras idades do compósito, diminuindo com o processo de hidratação do cimento e ganho

de resistência e módulo de elasticidade da parte da matriz.

As fibras de módulo de elasticidade inferior ao da matriz e de baixa resistência

mecânica melhoram, significativamente a resistência a cargas dinâmicas (impactos) e o

comportamento pós-fissuração (AGOPYAN; JOHN, 1994).

CAPÍTULO III

3 CIMENTOS DE BASE ALCALINA E CIMENTOS GEOPOLIMÉRICOS

3.1 CIMENTOS DE BASE ALCALINA

Os cimentos pertencem à classe de materiais denominados aglomerantes hidráulicos.

Esta denominação compreende aquelas substâncias que endurecem uma vez misturadas com

água e resistem a esta com o passar do tempo (KIHARA, 1983).

Define-se cimento Portland como um material hidráulico constituído essencialmente

de silicato de cálcio, obtido da pulverização de um produto chamado clínquer que por sua vez

é obtido a partir do tratamento térmico até a fusão controlada de uma mistura de calcário e

argila, convenientemente dosada e homogeneizada de tal forma que a cal se combine

totalmente com os compostos argilosos (ACI Manual of Concrete Practice, 1985).

Glukhovsky, a partir dos anos 50, propôs uma nova geração de ligantes, com base nas

investigações que conduziu sobre cimentos antigos aos quais chamou de “solo - cimentos”, e

cuja formação é praticamente análoga à de muitos minerais e rochas que constituem a crosta

terrestre, onde intervêm óxidos de metais alcalinos e alcalino-ferrosos, como é o caso das

zeólitas das micas e dos feldspatos. (DAVIDOVITS, 1991).

O solo-cimento contém uma significativa quantidade de álcalis (sob a forma de Na2O

e K2O, em proporções de 3 % a 20 %), que determinam suas propriedades ligantes. As

hipóteses de formação de ligantes do tipo “solo-cimento” são bastante vastas podendo ser

concretizadas nomeadamente a partir de:

a) Compostos solúveis de metais alcalinos em conjunção com sistemas

aluminossilicatos, sem presença de cálcio, como as cinzas vulcânicas, ou certas

cinzas volantes, os metacaulins, as argilas calcinadas, e outros. Trata-se de sistemas

de materiais alcalinos (ricos em SiO2 e Al2O3) com composição: Na2O-Al2O3-SiO2-

H2O;

ou

b) Compostos ricos em cálcio: cal, cimento Portland, cimentos aluminosos, escórias de

alto-forno, entre outros, envolvendo materiais alcalino-terrosos com um

significativo teor de cálcio com composição química do tipo: Na2O-CaO-Al2O3-

SiO2-H2O.

Ambos os sistemas são submetidos à ativação alcalina com hidróxido de sódio ou

potássio, reação que comprova alterações fundamentais na estrutura dos materiais

componentes. Esta reação é do mesmo tipo da verificada nas zeólitas naturais. A possibilidade

de obtenção de reações de pega e endurecimento mais abrangentes permitiu reformular a

teoria dominante que só os compostos constituídos com elementos pertencentes ao grupo II A

da tabela periódica, os chamados alcalinos terrosos (Be, Ca, Mg, Sr, Ba), poderiam sofrer

reações de hidratação. Os compostos organizados com elementos do subgrupo I A (Li, Na, K,

Rb e Cs), conhecidos por metais alcalinos, formando associações aos pares, com elementos

dos subgrupos III A e IV A (alumino-silicatos), II A e IVA (silicatos alcalinos-terrosos), II A

e III A (aluminatos alcalinos-terrosos), também apresentam reação de hidratação.

3.2 ZEÓLITAS

A origem da palavra zeólita deriva do grego zeo e lithos, que significa “pedra que

ferve”. Essa denominação se deu ao verificar que, sob aquecimento, um mineral poroso

conhecido como estilbita parecia ebulir com elevada liberação de vapor de água (LUNA;

SCHUCHARDT, 2001).

As zeólitas são aluminossilicatos cristalinos hidratados de metais alcalinos ou alcalino-

terrosos (principalmente sódio, potássio, magnésio ou cálcio) caracterizados por uma elevada

superfície interna de contato e enorme capacidade de permuta de íons (cátions).

A sua estrutura é cristalina, tridimensional, constituída por tetraedros de sílica [SiO2]-4

e alumina [AlO4]-5, sob a forma de íons fortemente ligados pelos vértices, compartilhando

todos os oxigênios. Para que se possa considerar que existe uma zeólita, a razão (Si + Al)/O

deve ser igual a ½. A estrutura do aluminossilicato tem carga negativa e para sua

compensação atrai cátions, por exemplo, Na+ ou K+ com os quais se ligam facilmente (Figura

3.1).

Figura 3.1 Formação das Zeólitas (COSTA, 1999).

As características de um depósito zeolítico são decididas pela diagênese de sua

formação. Pequenas diferenças naturais como temperatura, alcalinidade das águas, o tipo de

cátion dominante, ou até a própria localização geográfica, implica uma composição diferente,

uma forma distinta de organização e, portanto, propriedades únicas específicas de cada

material ou depósito.

O diâmetro das cavidades características das zeólitas é condicionado pelo cátion

dominante em volta do qual se forma a matriz do alumino silicato (GRANIZO, 1998). Ao

contrário dos outros tecto-silicatos, as zeólitas formam grandes vazios na sua estrutura que

podem ser ocupados por cátions como sódio, potássio, bário e cálcio, e mesmo grandes

moléculas e grupos catiônicos com água, amônia, íons-carbonatos, íons-nitratos. Nas zeólitas

mais utilizadas, os espaços estão interligados e formam canais longos e de várias dimensões

consoante os minerais. Estes canais permitem a fácil movimentação dos íons residentes para

dentro e para fora da estrutura e explica o baixo peso específico desses materiais.

As zeólitas são conhecidas pela sua capacidade de perder ou absorver água com o

aumento da temperatura, sem qualquer modificação da sua estrutura cristalina ou, pelo

contrário, com significativas alterações estruturais, tão depressa se alcance a temperatura de

estabilidade.

Sodalita

Faujazita

Zeólita A

De fato, a perda de água pode provocar uma mudança de estrutura de uma zeólita para

outra, uma ruptura da estrutura para uma fase amorfa, ou uma recristalização em materiais

não-zeolíticos. Estas perdas de água críticas podem ocorrer numa gama considerável de

temperaturas. A philipsita e a paulingita são zeólitas de baixa estabilidade, pois se

recristalizam facilmente a temperatura de aproximadamente 250°C, enquanto que a analcita

que aparece em porcentagens elevadas (até 40%) nos cimentos antigos, mantêm a sua

estabilidade até perto dos 700°C (GRANIZO, 1998). Na Tabela 3.1 estão apresentadas as

fórmulas naturais das zeólitas mais comuns.

Tabela 3.1 Fórmulas naturais das zeólitas mais comuns (FLEISCHER; MANDARINO,

1991).

PRINCIPAIS ZEÓLITAS NATURAIS

ZEÓLITAS FÓRMULA QUÍMICA

laumontita Ca Al2 Si4 O12 . 4 H2O

clinoptilolita (Na,K,Ca)2-3 Al3(Al,Si)2 Si13 O36 . 12 H2O

stilbita Na Ca2 Al5 Si13 O36. 14 H2O

phillipsita (K,Na,Ca)1-2 (Si,Al)8 . O16. 6 H2O

erionita (K2,Ca,Na2)2 Al4 Si14 O36 . 15 H2O

offretita (K2,Ca)5 Al10 Si26 O72 . 30.H2O

faujazita (Na2 Ca) Al2 Si4 O12. 8 H2O

chabasita Ca Al2 Si4 O12. 6 H2O

natrolita Na2 Al2 Si3 O10. 2 H2O

thomsonita Na Ca2 Al5 Si5 O20 . 6 H2O

mordenita (Ca,Na2,K2)Al2 Si10 O24. 7 H2O

epistilbita Ca Al2 Si6 O16. 5 H2O

analcima Na, Al Si2 O6. H2O

heulandita (Na,Ca)2-3 Al3 (Al,Si)2 Si13 O36 . 12 H2O

A Figura 3.2 ilustra a estrutura básica das zeólitas. Nos dois casos, tanto o átomo de Si

quanto o de Al se encontram no centro do tetraedro formado pelos átomos. Caso um átomo de

Al esteja substituindo o de Si, é necessário um íon positivo para manter o balanço de carga.

Figura 3.2 Unidades estruturais básicas das zeólitas. a) Tetraedro com um átomo de silício

(círculo cheio) no centro e átomos de oxigênio nos vértices. b) Tetraedro com átomo de Al

substituindo o Si e ligado a um cátion monovalente para compensar a diferença de carga entre

o Si e o Al. c) Átomo divalente para balancear as cargas entre o Al e o Si numa cadeia

múltipla de tetraedro (CLIFTON, 1987).

A estrutura das zeólitas apresenta canais e cavidades interconectadas de dimensões

moleculares, nas quais se encontram os íons de compensação, moléculas de água ou outros

adsorvatos e sais. Esse tipo de estrutura microporosa confere as zeólitas uma superfície

interna muito grande quando comparada à sua superfície externa.

A estrutura da zeólita permite a transferência de matéria entre os espaços

intracristalinos, no entanto, essa transferência é limitada pelo diâmetro dos poros das zeólitas.

Dessa forma, só podem ingressar ou sair do espaço intracristalino aquelas moléculas cujas

dimensões são inferiores a um certo valor crítico, que varia de uma zeólita a outra.

(GIANNETO, 1989).

Baseado na topologia da estrutura, Breck (CLIFTON, 1987) classificou as zeólitas em

7 grupos (Tabela 3.2).

Tabela 3.2 Grupos estruturais das zeólitas.

GRUPO

UNIDADE DE CONSTRUÇÃO SECUNDÁRIA ZEÓLITA

1 anel simples de 4 tetraedros (S4R) analcima, phillipsita 2 anel simples de 6 tetraedros (S6R) erionita, offretita 3 anel duplo de 4 tetraedros (D4R) zeólitas A e P 4 anel duplo de 6 tetraedros (D6R) faujasita, chabazita 5 complexa 4 - 1 T5O10 natrolita,thomsonita 6 complexa 5 - 1 T8O16 mordenita, epistilbita 7 complexa 4 - 4 - 1 T10O20 heulandita, stilbita

Fonte: US Bureau of Mines IC-9140, p. 5 (CLIFTON, 1987).

A unidade primária de construção das zeólitas tem a configuração de um átomo

central, normalmente de Si ou Al. As unidades de construção secundária (Secondary Building

Unit- SBU) contêm até 16T - átomos, tendo-se a formação de anéis simples ou duplos de

quatro, seis ou oito tetraedros (S4R, D4R, S6R, D6R, S8R, D8R), de acordo com a Figura 3.3.

Figura 3.3 Unidades de construção secundária (MEIER; OLSON, 1992).

Genericamente, a ativação alcalina é uma reação de hidratação de aluminossilicatos

com substâncias do tipo alcalino ou alcalino-terroso, nomeadamente:

• Hidróxidos [ROH, R(OH)2];

• Sais de ácidos fracos [R2CO3, R2S, RF];

• Sais de ácidos fortes [Na2SO4, CaSO4. 2H2O]

• Sais silicatados do tipo R2. (n) SiO2.

O R é um íon alcalino do tipo Na, K ou Li (PUERTAS, 1995), ou alcalino-terrosos

como o Ca.

Para potencializar os melhores resultados, os aluminossilicatos devem sofrer

primeiramente um tratamento térmico, envolvendo a perda de água e alteração da

coordenação do íon alumínio com o oxigênio. Como conseqüência destas alterações, o

material perde grande parte de sua estrutura cristalina ficando num estado praticamente

amorfo, de elevada entropia, o que lhe confere, como se sabe, uma grande apetência para

combinar-se quimicamente.

Assim, em princípio, aluminossilicatos como as escórias (obtidas, por exemplo, nos

altos fornos), as cinzas volantes (obtidas na queima de carvão nas centrais termoelétricas), as

cinzas vulcânicas (com tratamento térmico natural) e o pó de telha ou tijolo (com passagem

nos fornos industriais de cozedura) são potenciais materiais de partida para a ativação

alcalina, já que dispõem de uma reconhecida história térmica. A fase de arrefecimento, que

também é crítica, sendo normalmente muito rápida, reforça a obtenção de matrizes amorfas

(GRANIZO, 1998).

Os caulins, aluminossilicatos naturais, resultantes de alterações químicas das rochas

feldspáticas (meteorização), desde que submetidos a um tratamento térmico conveniente com

vistas a desidroxilação e a alteração da já referida coordenação do alumínio, dão lugar à

obtenção do metacaulim que pode também ser ativado alcalinamente (DAVIDOVITS, 1991;

GRANIZO, 1998).

Os caulins têm geralmente um teor em cálcio muito baixo, ou praticamente nulo, não

se inserindo, por isso, na linha tradicional dos ligantes em que o cálcio, como no cimento

Portland, tem um papel predominante.

Os primeiros desenvolvimentos do processo de ativação alcalina tiveram em vista a

indústria cerâmica com o objetivo de contornar o elevado dispêndio energético que se verifica

nos fornos de cozedura dos caulins.

3.3 CIMENTOS GEOPOLIMÉRICOS

Os geopolímeros vieram da necessidade de se obter polímeros não inflamáveis, o que

seria possível na indústria pela introdução de grupamentos contendo fósforo. Este tipo de

substituição não inflamaria em caso de queima, mas produziria fumaça tóxica. Por isso, a

partir da década de 50, um grupo de pesquisadores passou a trabalhar no desenvolvimento de

cimentos álcali-ativados. Em 1972, Davidovits iniciou suas pesquisas em busca de polímeros

não baseados em carbono. A idéia foi trabalhar com elementos geológicos constituídos por

silício, utilizando baixa temperatura e aplicando técnicas similares àquelas usadas na síntese

das zeólitas. A evolução das pesquisas nesta época foi prejudicada pela crise do petróleo, pois

nessa década o mercado financeiro não era favorável a investimentos. Davidovits continuou

suas pesquisas sem investimentos e observou que era possível obter não só uma resina, mas

também um material agregante e um cimento (DAVIDOVITS, 1994). Em 1976, Davidovits

patenteou nos EUA cimentos de base alcalina a genericamente designou-os geopolímeros.

Os geopolímeros são polímeros inorgânicos que em meio alcalino reagem entre si sob

determinadas condições de pressão e temperatura, formando produtos de natureza amorfa de

combinação ímpar apresentando propriedades mecânicas, resistência térmica e baixa

densidade, importantes para aplicações na construção civil (DAVIDOVITS, 1994).

Os geopolímeros ou polissialatos têm terminologia adotada para abreviatura de poli-

silico-aluminatos, derivados de materiais com ocorrência geológica natural (silicatos e

aluminatos, duas matérias-primas encontradas em abundância no Brasil). Eles apresentam

características particulares que revelam o seu grande potencial de aplicação como

aglomerante em substituição ao cimento Portland. Esses materiais derivam de uma adaptação

moderna dos processos de estabilização de solos cauliníticos ou lateríticos com cal (Ca

(OH)2), feita pelos antigos Romanos e Egípcios na confecção de peças estruturais. As grandes

pirâmides do Egito foram erguidas há 4.500 anos com blocos moldados neste material.

Os aluminossilicatos, à base de silício e de alumínio, representam uma vasta gama de

potenciais matérias-primas. Todavia, para a otimização dos resultados é necessário garantir

determinadas razões entre os principais óxidos e obter estados de amorfização para que os

produtos da reação sejam mais estáveis. Cinzas vulcânicas, pozolanas ou mesmo a caulinita

são aluminossilicatos naturais capazes de produzir materiais com boas propriedades

mecânicas através da ativação alcalina.

No entanto, os aluminossilicatos provenientes de detritos industriais como resíduos de

construção, escórias, cinzas volantes e de incineração, escombreiras de explorações mineiras e

outros são os mais alcalinos como matéria-prima para a ativação alcalina, pois permitem

promover a reintegração de materiais cuja utilidade têm constituído um problema cada vez

mais sério nas sociedades desenvolvidas.

Estudos mineralógicos e químicos constataram que o cimento geopolimérico é feito

sem usar nenhuma pedra calcária; isto resulta em um composto mais limpo. Ele é resultante

de um concreto feito a partir da mistura de pedregulhos de calcário caulinítico oriundos de

Gizé com NaOH produzido pela mistura de cal (Ca (OH)2), barrilha (Na2CO3) e água.

Segundo as análises, as pedras calcárias naturais são compostas por folhas fossilizadas

dispostas paralelamente entre si, em camadas sedimentares.

O ingrediente chave é o metacaulim mineral que vem tipicamente das argilas

caulinitas, mas pode vir do desperdício da mineração de carvão ou de resíduos inorgânicos de

vários tipos, como cinzas volantes e de queima, escórias e sílica de fumo.

Nos blocos das pirâmides, no entanto, as camadas são orientadas aleatoriamente, como

ocorre quando pedregulhos de calcário são aglomerados dentro do concreto. Realmente a

composição química das pedras das pirâmides é similar a das estruturas geopoliméricas feitas

pelo homem atualmente. Estudos de difração de raios X de amostras removidas dos blocos

das pirâmides de Quéops, Quéfren, Teti e Sneferu indicam que a calcita (CaCO3) é a fase

cristalina predominante.

Entretanto, um material amorfo composto por silicatos e aluminossilicatos complexos

e um material criptocristalino (zeólita do tipo analcima, Na2O.Al2O3.4SiO2.2H2O),

acompanham a microestrutura. Estes compostos também são comumente encontrados em

amostras de estruturas antigas existentes na Grécia, Chipre e Itália, algumas com quase 9.000

anos de idade e em outras estruturas do período da Antiguidade. Considera-se que a excelente

durabilidade dessas estruturas está relacionada com a existência de tais compostos. A

preservação das pirâmides através de milhares de anos é a prova da extrema durabilidade dos

materiais geopoliméricos.

Os geopolímeros são considerados análogos das zeólitas, entretanto sua estrutura é

amorfa ou semicristalina. Geopolímeros resultam da condensação polimérica de

aluminossilicatos e silicatos alcalinos originando estruturas poliméricas tridimensionais. Essa

estrutura tridimensional é gerada devido à relação SI/AL, pois o arranjo 3D se forma quando

as ligações cruzadas de SI/AL forem iguais ou superiores a 2, aí se obtém um polímero

denominado de polissiloxossialato ou PSS. São produzidos de uma maneira distinta daquela

do cimento Portland. Não requerem fornos com temperaturas extremas, grandes gastos com

combustíveis, nem grandes investimentos em plantas e equipamentos. Os geopolímeros foram

desenvolvidos a partir de estudos pela variação das razões molares entre os seus principais

óxidos reagentes. O processamento térmico de sílico-aluminatos alcalinos e aluminossilicatos,

disponíveis em qualquer continente, fornece as matérias-primas necessárias para a

geopolimerização (DAVIDOVITS, 2005).

A composição e a síntese dos geopolímeros determinam suas características de pega e

cura, bem como seu comportamento mecânico final. Endurecem a temperatura ambiente e

possuem alta resistência à compressão, durezas próximas dos 200 HB e são estáveis a

temperaturas acima de até 1400°C. Entretanto, são frágeis e necessitam de fibras para inibir a

formação de microfissuras durante a geopolimerização.

A nomenclatura para esses polímeros minerais é baseada no termo polissialato (Figura

3.4) e foi estabelecida pela União Internacional de Química Pura e Aplicada, no encontro

realizado em Estocolmo em 1976 (DAVIDOVITS, 2002). O termo sialato foi sugerido para

abreviar silico-oxo-aluminato. A fórmula empírica dos polissialatos é dada por: Mn [-(Si-O2)z

- Al-O]n . wH2O.

Sendo M um cátion, elemento alcalino e n o grau de polimerização. O símbolo “–”

indica a presença de uma ligação, “z” é 1, 2 ou 3. Quando z é igual a 1, o nome é polissialato

(PS), z igual a 2, polisialato-siloxo (PSS), e z igual a 3, polisialato-disiloxo (PSDS) e w é o

grau de hidratação.

Figura 3.4 Esquema de estruturas moleculares de polissialatos.

Poli (sialato)

Poli (sialato-siloxo)

Poli (sialato-disiloxo)

Compostos geopoliméricos desenvolvidos para aplicações industriais podem ser

cristalinos, semicristalinos ou amorfos. A estrutura cristalina do polisialato (Mn-(-Si-O-Al-

O))n e polisialato-siloxo (Mn-(-Si-O-Al-O-Si-O-))n resultam de condições de pega

hidrotérmicas, enquanto que o endurecimento à temperatura ambiente induz a formação de

estruturas amorfas e vítreas. Usando caulinita (Al2Si2O5(OH)4) como precursor geopolimérico

e condições experimentais hidrotérmicas (150°C/5 MPa-10 MPa) em meio alcalino, a

formação de uma estrutura tipo sodalita idêntica a zeólita A, a mais simples das zeólitas

sintéticas, é favorecida, como mostra a Figura 3.5.

Usando o óxido aluminossilicato (Si2O5, Al2O2) como precursor geopolimérico em

condições experimentais, tais como 150°C/15 MPa, não favorece a formação de cristais

conforme ocorre com espécies zeolíticas, o que se observa é a formação de uma mistura de

polissialato e zeólita tipo A 4. Vários polihidro-xialuminossilicatos podem ser usados como

material de partida para preparar o (Si2O5, Al2O2), incluindo minerais com espaçamentos

basais de cerca 0,7 nm e tendo, no mínimo, um cátion alumínio localizado em camadas

octaédricas.

T >>>> 100º C

5 MPa - 10 MPa

Figura 3.5 Estrutura do polissialato do tipo sodalita (DAVIDOVITS, 1991).

(Al2Si2O5(OH)4) NaOH

Materiais residuais como cinzas volantes, escória de alto forno e resíduos de minerais,

contêm quantidades suficientes de alumina e sílica reativas que podem ser usados como

materiais de partida para reações de geopolimerização. Alguns trabalhos têm mostrado

sínteses usando cinzas volantes, escória de forno, pozolonas, minerais contendo Al e Si e

argilas (caulim e metacaulim). Deve-se considerar, entretanto, que dependendo do tipo e da

natureza do material de partida usado, as propriedades físicas e químicas do geopolímero

formado serão diretamente afetadas (VAN JAARSVELD et al, 1998).

Como aplicações potenciais dos geopolímeros podem ser citadas: materiais refratários,

materiais para aplicações balísticas, cimentos para ambientes agressivos e reparações

estruturais, retenção de resíduos tóxicos e radioativos, estabilização de solos contaminados,

moldes para vários tipos de indústrias, entre outros. Em todos os campos da indústria entre

elas: na indústria automobilística e aeronáutica, fundição não ferrosa e metalúrgica,

engenharia civil, indústria de plásticos, na arte e decorações, entre outros.

Podem ser usados puros ou na forma de compósitos. Dentre as características que dão

destaque a este material incluem-se alta a resistência inicial, baixa retração, a resistência a

sulfatos e a resistência a ciclos resfriamento-descongelamento (DAVIDOVITS, 2002). Um

exemplo de aplicação de geopolímeros é o uso de compósitos com fibra de carbono, para ser

aplicada no interior de cabines e outros componentes de aeronaves (LYON et al, 1997).

Alguns estudos têm investigado o uso de geopolímeros para substituir polímeros

orgânicos em compósitos de fibra de carbono aderidos a feixes de concreto (BALAGURU

1992).

Os resultados mostram vantagens quanto à resistência à queima, durabilidade frente

aos raios UV e não emissão de qualquer substância tóxica. O material geopolimérico pode ser

descartado como lixo comum. Outros usos reservados por patentes são: reforço de fibra em

compósitos de concreto e aço com o objetivo de proteger estruturas; na construção de

sensores piezoelétricos para temperaturas entre a ambiente e 1360°C; na construção de

varistores e resistores (GREUTER; STRUMPLER, 1999) recobrimento de superfícies

contendo carbono (LAURENT, 1998); agregantes para o tratamento de materiais residuais

(COMRIE; DAVIDOVITS 1988); e outros.

Produtos pré-formulados, com base em cimento geopolimérico, apresentam

resistências à compressão de até 20 MPa duas horas depois de aplicados. Aos 28 dias, podem

ultrapassar 100 MPa. Uma das propriedades do cimento geopolimérico é, por exemplo,

possibilitar o tráfego de automóveis pesados em menos de 4 horas. (DAVIDOVITS, 2002).

Além disso, o comportamento apresentado pelos geopolímeros é superior em várias

propriedades ao cimento Portland, o que faz substituto em concretos e argamassas tradicionais

e também um produto de características muito especiais, para ser utilizado nas condições onde

as propriedades do cimento Portland são insuficientes.

O geopolímero é um material considerado de baixo impacto ambiental, tendo como

vantagens: resistência à alta temperatura, alta reatividade, boa plasticidade, baixa densidade,

capacidade de servir como molde, pega rápida, boa trabalhabilidade, boa resistência

mecânica, coesão e acabamento superficial, que são observados no estado fresco, associadas

ao rápido desenvolvimento de resistência mecânica e dureza superficial.

Devido às suas características de resistência ao sulfato e elevadas temperaturas, o

geopolímero tem sido usado em revestimento de proteção, contra meios agressivos,

proporcionando maior durabilidade das estruturas. (DAVIDOVITS, 2002).

Os materiais geopoliméricos são favoráveis ao meio ambiente e necessitam somente

de energia moderada para serem produzidos. Eles também podem ser obtidos usando

subprodutos disponíveis na indústria como material de base. Possui características especiais,

pois foi desenvolvido com tecnologia inovadora empregando, principalmente, argilominerais

naturais e sintéticos de forma distinta em relação à indústria de cimento tradicional que tem

como principal fonte à matéria calcária para gerar o clínquer Portland.

Essa nova tecnologia contribui amplamente para diminuição do impacto ambiental, já

que há queda de 80 % de emissão de gás carbônico para a atmosfera. Outra característica

relevante é que, apesar de ser à base de água, os produtos de reação não são hidratos cálcicos

como nos cimentos convencionais. Isto traz como conseqüência a formação de uma matriz

amorfa, mas estável quimicamente. Os geopolímeros são cimentos com resistência à tração

superiores aos convencionais, além de ser imune a reações álcali-agregado. Tem melhor

acabamento que em muitos casos proporcionará redução significativa de custos com

eliminação dessa etapa na produção da peça (DAVIDOVITS, 2002).

Devido à elevada resistência a compressão inicial, os geopolímeros podem ser

utilizados na produção de pavimentos que exigem rápida liberação para o uso tais como obras

em pistas de aeroportos, vias de tráfego intenso na manutenção industrial, etc.

3.3.1 Geopolimerização

A geopolimerização é um fenômeno exotérmico que pode ser esquematizado como

resultado da policondensação de monômeros. Davidovits direciona este tipo de reação apenas

para os óxidos de alumínio e silício, sem qualquer intervenção da cal.

O mecanismo de formação de geopolímeros (Figura 3.6) inclui uma etapa de

dissolução inicial, onde a solução alcalina não só hidrolisa a superfície do mineral, mas

também dissolve uma pequena quantidade de espécies Al e Si. Estas espécies dissolvidas

reagem com os íons silicatos já dissolvidos e polimerizam, por reações de condensação,

formando um gel que é transformado na estrutura final, seja por outra dissolução e outro

processo de cristalização, ou por um mecanismo do estado sólido, como proposto por

Scrivener para cimentos de escória ativados por álcalis (VAN JAARSVELD et al. 1998).

A fase gel é altamente reativa e, provavelmente, produzida principalmente pela

copolimerização de espécies de alumina e sílica individuais dissolvidas pelo hidróxido

alcalino das fontes de sílica e alumina. Desta forma, pode-se supor que a concentração de

álcali, bem como o tamanho de partícula e a estrutura cristalina das fontes de sílica e alumina

terão uma maior influência na eventual formação de gel via espécies dissolvidas (VAN

JAARSVELD et al. 1998.).

+

+

(íon ortosialato)

NaOH/KOH

(Esqueleto geopolimérico)

Figura 3.6 Esquema do mecanismo de geopolimerização (VAN JAARSVELD et al. 1998).

n(Si2O5, Al2O2) Mineral Si-Al

2n SiO2+ 4n H2O + NaOH/KOH

Na+, K+ n (OH)3 SiOAl-OSi (OH)3

(OH)2

(Na+, K+) ( -Si-O-Al-O-Si-O-)

O O O

No entanto, o mecanismo químico responsável pela dissolução e formação do gel não

é completamente entendido. Em muitos casos, a dissolução dos materiais de partida não é

completa até que a estrutura final endurecida seja formada. Pequenas quantidades de sílica e

alumina presentes na superfície das partículas precisam tomar parte da reação para que a

mistura total solidifique (VAN JAARSVELD et al. 1998). Durante a síntese, os cátions de

metais alcalinos desempenham um papel muito importante na ordenação das moléculas de

água e, depois, na solubilização das espécies para começar o processo de nucleação que

conduzirá à formação da estrutura.

O tamanho do cátion também afeta a morfologia do eventual cristal, sendo o potássio

o responsável por um maior grau de condensação quando comparado ao sódio, sob as mesmas

condições. A escolha do tipo de álcali a ser utilizado durante a síntese dependerá de muitos

fatores, sendo o mais importante o tipo de material de partida a ser utilizado, bem como o

objetivo final em termos de aplicação (VAN JAARSVELD et al. 1998).

A composição química dos materiais do geopolímero é similar à das zeólitas

cristalinas que se formam na natureza, em geral, por deposição de cinzas vulcânicas em

ambientes alcalinos. No entanto, diferem delas por apresentarem uma estrutura

essencialmente amorfa o que dificulta a sua análise e identificação.

As reações de superfície no processo de geopolimerização dependem de quatro fatores

fundamentais: mineralogia, teor de sílica, alumina, finura ou área superficial reativa e

morfologia. O conhecimento da composição química dos produtos é essencial para a eficácia

na reação.

3.3.2 Precursores Geopoliméricos: Caulim e Metacaulim

Os caulins resultam da ação do intemperismo ou hidrotérmica sobre rochas

feldspáticas sendo classificados em primários e secundários. O caulim está entre os 6 minerais

mais importantes e abundantes da crosta terrestre (até 10 m de profundidade). O caulim é

formado basicamente por caulinita, um argilomineral produzido pela decomposição do

feldspato (INDUCAL, 2005).

Os caulins primários ou residuais, apesar de serem produtos de decomposição de

rochas e conter grandes quantidades de restos da rocha matriz, tais como quartzo, mica e

feldspato, são os que se encontram no lugar em que estava a rocha original.

Os caulins secundários ou transportados são os que são transportados para outro lugar.

Os argilos minerais presentes nos caulins primários são a caulinita e/ou haloisita isolados ou

de mistura em diversas proporções. Nos caulins secundários, o argilomineral presente é

geralmente a caulinita (SOUZA; SANTOS, 1989).

A caulinita, aluminossilicato lamelar, de fórmula Al2SiO5(OH)4, é formada por

tetraedros de silício e octaedros de alumínio unidos pelo compartilhamento de átomos de

oxigênio (DANA; HURLBURT, 1960), conforme pode ser visto na Figura 3.7.

Muito embora muitos caulins, primários ou secundários, sejam suficientemente puros

para uso industrial no estado bruto, a maioria deles deve ser refinada ou purificada por

lavagem ou por outros processos. Existe uma variação nas cores dos caulins naturais: branca,

creme, amarela e rosa (SOUZA; SANTOS, 1989).

Do ponto de vista industrial, os caulins possuem um amplo mercado sendo utilizados

para a fabricação de cerâmica branca, para reforçar borrachas, no fabrico de plásticos, tintas, e

zeólitas, catalisadores, além da sua importância para a indústria de papel. No Brasil, o maior

uso de caulins é na indústria cerâmica (SOUZA; SANTOS, 1989).

Figura 3.7 Estrutura da caulinita.

(Fonte: <http: //www. science.uwaterloo.ca>).

Os maiores produtores mundiais são Inglaterra, Alemanha, China, Estados Unidos,

França, Índia e Rússia. No nosso país, existem depósitos de origem pegmatítica ou granítica

no nordeste (Ceará, Rio Grande do Norte, Paraíba, Pernambuco e Bahia), no Norte

(Amazonas), no Sudeste (Minas Gerais, Espírito Santo, Rio de Janeiro, São Paulo, Paraná) e

Tetraedros de Si

Octaedros de Al

no Sul (Rio Grande do Sul), todos em exploração industrial comercial, geralmente

para cerâmica, borracha, papel e usos menores (SOUZA; SANTOS, 1989).

Os caulins, quando tratados termicamente a temperaturas específicas, fornecem

produtos com propriedades características de significado industrial chamados caulins

calcinados. A caulinita, quando aquecida, se transforma inicialmente em metacaulinita até

chegar a mulita (KAKALI et al. 2001), conforme Figura 3.8.

A calcinação à baixa temperatura é responsável pela desidroxilação da estrutura

hexagonal da caulinita (Figura 3.9), originando um material amorfo, denominado

metacaulinita. O aquecimento posterior resulta na formação de estrutura tipo espinélio,

chamada mulita primária onde ocorre a separação de sílica, que cristaliza, subseqüentemente,

na forma de mulita. Os caulins calcinados entre 600°C e 1100°C apresentam aplicações em

várias indústrias, como papel, PVC, borrachas, plásticos, selantes adesivos e também como

agentes para polimento. A maior opacidade conferida ao papel pelo uso de caulim calcinado é

atribuída à alta concentração de vazios de agregados fundidos, e à abertura da estrutura

empacotada (CHANDRASEKHAR; RAMASWAMY, 2002).

~550°C

~900°C

1000 -1100°C

Figura 3.8 Transformações térmicas da caulinita (~ indica início de reação).

Metacaulinita (Al2Si2O7)

Fase tipo espinélio

Mulita

Al6Si2O13

Caulinita (Al2Si2O5(OH)4)

Figura 3.9 Estrutura hexagonal de caulinita bem cristalizada (KUGLER; PASHIN, 1994).

Na metacaulinita, a rede Si-O permanece intacta enquanto a rede Al-O se reorganiza.

A metacaulinita é considerada material pozolânico por reagir bem com o óxido de cálcio,

melhorando as propriedades mecânicas e resistência química do cimento Portland. Essas

propriedades são função principal da natureza e abundância do argilomineral na matéria-

prima, condições de calcinação e do tamanho de partícula do material (KAKALI, et al. 2001).

Entre as aplicações da metacaulinita está um produto de alta reatividade utilizado

como carga na indústria do concreto, denominado metacaulinita de alta reatividade (refinada e

sem impurezas), que fornece propriedades melhoradas comparáveis à sílica ativa, com a

vantagem de ser uma alternativa promissora para projetos de arquitetura, onde a cor escura da

sílica ativa não é desejada.

3.3.3 Ativação Alcalina do Metacaulim

A ativação alcalina pode efetuar-se sobre outros tipos de aluminossilicatos isentos de

cálcio, como os caulins, desde que sujeitos a determinadas condições de temperatura e

pressão, de preferência submetendo-os previamente a um tratamento térmico para

desidroxilação. A importância da intervenção da temperatura situa-se nas alterações

Cristais Hexagonais

estruturais que se provocam na organização molecular e que propiciam melhores condições de

combinação.

A caulinita é estruturalmente caracterizada pela justaposição de duas lâminas T-O

(tetraédrica de silício e octaédrica de alumínio e/ou magnésio). Na lâmina octaédrica, o

alumínio está em coordenação com 2 átomos de oxigênio e 4 hidroxilas OH e apresenta um

comportamento estável. Ao aquecer o caulim entre 500ºC e 900ºC, durante um período

suficientemente longo, ocorre a desidroxilação (perda dos hidróxidos OH, que se agrupam

dois a dois, libertando uma molécula de água e deixando em seu lugar uma molécula de

oxigênio) e concomitante alteração da coordenação do alumínio, que passa a tetraédrica

(maioria) e pentaédrica (parcial). Com a transformação do caulim em metacaulim o material

se torna muito mais reativo, com propriedades pozolânicas (DAVIDOVITS, 1994).

O produto que se obtém depende da composição química e mineralógica do caulim de

base, o metacaulim obtido pode ter maior ou menor grau de finura, maior ou menor superfície

específica e apresentar cor branca, creme ou levemente rosada.

De acordo com Davidovits (1988), é necessário promover a desidroxilação do caulim

acima dos 600ºC e abaixo dos 950ºC. De fato, até os 450ºC - 500ºC a reação é reversível, isto

é, juntando-se água ao produto formado consegue-se obter novamente a hidratação do caulim.

A temperatura ideal situa-se nos 750ºC, sendo importante determinar experimentalmente o

tempo mínimo de tratamento térmico necessário para garantir a desidroxilação e alteração da

coordenação do alumínio.

Após a desidroxilação o metacaulim adquire uma estrutura amorfa e um potencial de

reatividade muito pronunciado. De acordo com (MURAT; BACHIORRINI, 1986), o grau de

amorfismo pode ser apreciado pelo padrão tipo de bandas de absorbância/ transmitância do

espectro infravermelho (EIV) e pelo valor da densidade óptica.

Pode-se dizer que a reação de ativação alcalina se traduz, em termos práticos, por um

processo de policondensação (síntese polimérica) em que os tetraedros de SiO4 e AlO4 , se

ligam alternadamente entre si, compartilhando todos os oxigênios. Os íons alcalinos (K+ e

Na+), atuam como agentes formadores na estrutura e são os componentes que determinam as

propriedades ligantes.

A estrutura desses ligantes é similar a das zeólitas naturais, podendo ser considerados

zeólitas de sínteses. Contudo, existe uma diferença significativa: na formação das zeólitas

naturais a fase líquida aparece em excesso, o que favorece a cristalização. Na reação do

metacaulim emprega-se o mínimo de agente ativador que seja necessário para garantir a

trabalhabilidade da pasta. As duas reações processam-se em velocidades diferentes, sendo

consideravelmente mais rápida a reação do geopolímero. Como conseqüência disto, as

zeólitas são materiais cristalinos, enquanto que os geopolímeros apresentam textura amorfa.

Os materiais de partida que Davidovits utilizou foram essencialmente os

aluminossilicatos, sendo por isso natural que a nomenclatura proposta traduzisse essa origem.

O termo polissialato foi introduzido para caracterizar a rede de tetraedros de SiO4 e AlO4 que,

ligados alternadamente e compartilhando todos os oxigênios dos vértices, constituem a matriz

química dos geopolímeros. Sialato é a abreviação de silico-oxo-aluminato (Figura 3.10).

Figura 3.10 Aspectos Estruturais e Nomenclatura.

CAPÍTULO IV

4. FASE DISPERSA DO CIMENTO GEOPOLIMÉRICO: REFORÇO

GEOSSINTÉTICO DE POLIPROPILENO - (GEOMANTA E TNT)

4.1 POLIPROPILENO (PP)

O polipropileno é um polímero termoplástico sintético, obtido pelo craqueamento do

petróleo, a partir do monômero de propileno ou propeno, e unido constitui longas cadeias de

moléculas. Sua síntese ocorreu pela primeira vez em 1954, com Giulio Natta, químico

italiano, o qual ganhou um prêmio Nobel na química em 1963, juntamente com o alemão Karl

Ziegler para o trabalho em polímeros. A produção comercial do polipropileno só teve

significância na década de 60. Portanto é uma resina plástica bastante jovem no mercado.

Segundo Agopyan e John (1994), as fibras de polipropileno quando comparadas às fibras

vegetais apresentam as vantagens de serem quimicamente inertes em ambientes alcalinos

(tornando-se compatíveis com a mistura em matrizes cimentícias). Possuem superfície

hidrófoba, não têm poros, portanto não absorvem a água da mistura e podem ser fabricadas

em diversas geometrias.

As fibras do polipropileno não apresentam problemas de corrosão, são flexíveis e

possuem preço menor por volume. O polipropileno é a fibra mais leve (Tabela 4.1) que existe.

Comparando-o as outras fibras, o PP é 40 % mais leve que o algodão, 35 % mais leve que o

poliéster, 32 % mais leve que a lã, 23 % mais leve que o acrílico e 21% mais leve que a

poliamida.

O polipropileno atualmente é um dos mais importantes termoplásticos comerciais,

com aproximadamente 2,5 milhões de toneladas produzidas nos Estados Unidos e 6,5 milhões

de toneladas produzidas mundialmente. O uso de aproximadamente 700 mil toneladas de

fibras e filamentos de polipropileno é um indicativo da sua versatilidade. Ele é usado também

para moldagem por sopro, moldagem por injeção e filmes extrudados (BAUMHARDT,

2004).

Enquanto o consumo de todas as resinas cresceu em média 5,6 % ao ano nos últimos

10 anos, o polipropileno tem crescido 9,5 % ao ano neste mesmo período (SUZANO

PETROQUÍMICA, 2005). A produção nacional de polipropileno tem também sua

importância por ser um grande consumidor de propeno.

Tabela 4.1 Comparação da densidade, isolação térmica e absorção de umidade entre as fibras.

FIBRAS

Densidade

g/cm³

Isolação

térmica

Absorção de

umidade (%)

Polipropileno 0,91 6,0 0,05

Algodão 1,50 17,5 7,0 a 8,0

Lã 1,32 7,3 16,0

Acrílico 1,17 8,0 1,5 a 2,5

Poliamidas 1,14 10,0 4,0

Poliéster 1,38 7,0 0,4 a 0,5

Fonte: (MÔNACO, 2001).

O polipropileno utilizado como reforço aumenta a resistência mecânica do cimento,

além de proporcionar as seguintes vantagens:

1. Elimina o aparecimento de fissuras durante o período de cura causada pela retração

plástica do cimento geopolimérico, proporcionando maior retenção de água;

2. Reduz a permeabilidade e o aumento da resistência ao impacto;

3. Aumenta a tenacidade do cimento e a sua resistência à abrasão (superficial), pois evita

a exsudação que altera o fator água x cimento;

4. Reduz os custos;

5. Melhora a coesão do cimento;

6. Não oxida e tem longa duração;

7. Não conduz eletricidade;

8. Contribui para diminuir o peso do pavimento;

9. Serve como reforço.

4.2 GEOSSINTÉTICOS

Geossintéticos podem ser definidos como: produtos industrializados poliméricos

(sintéticos ou naturais), cujas propriedades contribuem para melhorias geotécnicas, nas quais

eles desempenham funções de: reforço, filtração, drenagem, proteção, separação, controle de

fluxo (impermeabilização) e controle superficial (Figura 4.1).

Figura 4.1 Aplicações típicas de geossintéticos e de proteção ambiental (PALMEIRA, 1998).

A evolução mundial dos geossintéticos pode ser vista como se segue. Em 1950, os

geossintéticos foram empregados como elementos de filtros para aplicação antierosiva em

obras hidráulicas em alguns países. Em 1960, os geossintéticos foram utilizados como

elementos separadores e de reforço em materiais com características mecânicas e físicas

diferentes, principalmente em obras viárias. Em 1970, eram aplicados em reforços de grandes

aterros e barragens. Foi nessa época introduzido como elemento prolongador da vida útil de

recapeamento asfáltico. Em 1971, iniciou-se a era dos geossintéticos no Brasil com fabricação

do primeiro geotêxtil não tecido. Em 1980, utilizaram geossintéticos na recuperação das áreas

poluídas e na construção de obras de contenção e proteção ambiental. Em 1990, surgiu uma

multiplicidade de produtos e usos deste material. Apesar da grande experiência acumulada nas

últimas décadas, as condições territoriais, econômicas e sociais do Brasil têm retardado a

disseminação destas informações.

Os produtos geossintéticos estão cada vez mais presentes no dia a dia das obras de

engenharia no Brasil e no mundo. Há alguns anos, apenas os geotêxteis eram utilizados na

construção de drenos subterrâneos. Mas hoje a opção de produtos disponíveis permite realizar

obras mais rápidas, com menores gastos em equipamentos e mão - de - obra.

Como qualquer outro produto inserido em uma obra, os geossintéticos também devem

merecer um projeto e/ou especificação adequados. Surge a preocupação da continuidade da

eficiência desses materiais com o passar do tempo, levantando-se questões quanto ao seu

desempenho e durabilidade ao longo do tempo de sua vida.

Aterro reforçado Aterro sobre solo mole Estrada não pavimentada

Drenagem//filtração Impermeabilização

Pavimento

A durabilidade deve ser entendida como a propriedade que garante o perfeito

desempenho e integridade do material durante um determinado período de tempo, isto é, o

material deve ser capaz de resistir, desde sua instalação, bem como o tempo durante sua

utilização, aos agentes agressivos do ambiente no qual está instalado. Em função da

quantificação da durabilidade são determinados também os fatores de segurança para projeto.

Assim sendo, tem se estudado o aspecto da durabilidade de produtos geossintéticos. Hoje já se

tem uma grande variedade dos produtos geossintéticos disponíveis no mercado.

No Brasil já há uma variedade razoável de geossintéticos, tanto nacionais como

importados, que permite o engenheiro projetar e/ou especificar o mais adequado para cada

circunstância.

A preocupação em se entender melhor os materiais sintéticos data de, pelo menos,

duas a três décadas atrás. Porém, só no decorrer dos anos de 1980 - 1985 o RILEM Tecnichal

Committeen 47 Synthetic Membranes (TC 47 SM) (WILLIAMSON; LENSCHOW, 1984)

concentrou suas atividades no geotêxteis e geomembranas, com o objetivo de desenvolver

metodologias e métodos de ensaios incluindo definições, nomenclaturas, recomendações de

aplicações de testes mecânicos e hidráulicos, e recomendações para definir comportamentos

de interesses de estudos imediatos, com vistas a se resolver problemas geotécnicos

relacionados a esses produtos (GAMSKI, 1990).

As principais funções exercidas pelos geossintéticos são:

1. Separação: o geossintético é interposto entre dois materiais de naturezas diferentes,

impede sua mistura e interpenetração, preservando suas características originais;

2. Reforço: o geossintético, através de suas propriedades mecânicas atua no sentido de

reforçar a estrutura geotécnica na qual está inserido;

3. Proteção: o geossintético é colocado adjacente a outro elemento de uma obra

geotécnica, o protege de danos mecânicos tais como abrasão, puncionamento e fratura;

4. Filtração: o geossintético, através de sua estrutura física retém a fase sólida

deixando livre a passagem aos fluidos;

5. Drenagem planar: o geossintético, através de sua estrutura física, coleta e conduz

fluidos em seu plano;

6. Barreira impermeabilizante: o geossintético bloqueia e/ou desvia o fluxo de fluidos.

4.2.1 Terminologia e Classificação dos Geossintéticos

De acordo com o projeto de revisão da norma brasileira NBR 12553, os geossintéticos

são agrupados, nomeados e classificados como segue:

1. Geobarra [GB]: produto em forma de barra com função predominante de reforço;

2. Geocélula [GL]: produto com estrutura tridimensional aberta constituída de células

interligadas com função predominante de reforço e controle de erosão;

3. Geocomposto [GC]: produto industrializado formado pela superposição ou

associação de um ou mais geossintéticos entre si ou com outros produtos;

4. Geoespaçador [GS]: produto com estrutura tridimensional constituída de forma a

apresentar grande volume de vazios com função predominante do meio drenante;

5. Geoexpandido [GS]: produto fabricado a partir de um polímero expandido

formando uma estrutura tridimensional leve, com finalidade principal de meio drenante;

6. Geoforma [GF]: estrutura com a finalidade de conter materiais de modo permanente

ou provisório;

7. Geogrelha [GG]: produto com estrutura de grelha com função predominante de

reforço e cujas aberturas permitem a interação do meio em que estão confinadas.

8. Geomanta [GA]: produto com estrutura tridimensional permeável, usado para

controle de erosão superficial do solo, também conhecido como biomanta no caso de ser

biodegradável;

9. Geomembrana [GM]: produto bidimensional, de baixíssima permeabilidade. É

geralmente utilizada para controle de fluxo e separação nas condições de solicitação;

10. Georrede [GN]: produto com estrutura em forma de grelha, com função

predominante de drenagem;

11. Geotêxtil [GT]: produto têxtil bidimensional permeável, composto de fibras

cortadas e filamentos contínuos, monofilamentos, laminetes ou fios, formando estrutura tecida

não tecida ou tricotada cujas propriedades mecânicas e hidráulicas permitem que

desempenhem várias funções em uma obra geotécnica;

12. Geotira [GI]: produto em forma de tira com função predominante de reforço;

13. Geotubo [GP]: produto de forma tubular com função drenante.

4.2.2 Matérias - Primas Utilizadas nos Geossintéticos

A maioria dos geossintéticos é fabricada a partir de polímeros tais como o

polipropileno, o poliéster, o polietileno expandido, o polietileno de alta densidade, a

poliamida e o policloreto de vinila. Estes materiais são altamente resistentes à degradação

química e biológica. Fibras naturais como algodão, juta e bambu podem ser usados como

geotêxteis, especialmente para aplicações temporárias, mas elas não têm sido promovidas ou

pesquisadas tão amplamente como geotêxteis feitos de material poliméricos sintéticos.

4.2.3 Principais Propriedades dos Geossintéticos

As principais propriedades dos geossintéticos utilizados nas especificações de projetos

podem ser classificadas de acordo com a Figura 4.2.

Figura 4.2 Principais propriedades dos geossintéticos (MACHADO, 2002).

FÍSICAS

- Gramatura - Ponto de amolecimento

- Espessura - Porosidade

DURABILIDADE

- Resistência a agentes químicos e biológicos

- Resistência aos raios U.V. - Resistência à abrasão

MECÂNICAS

- Resistência e alongamento à tração - Módulo de rigidez

- Resistência à propagação da fratura - Resistência ao impacto

HIDRÁULICAS

- Permeabilidade normal - Permeabilidade planar

- Transmissividade - Abertura de filtração

PROPRIEDADES

4.3 TNT (TECIDO NÃO TECIDO)

Conforme a norma NBR-13370, não tecido é uma estrutura plana, flexível porosa,

constituída de véu ou manta de fibras ou filamentos, orientados direcionalmente ou ao acaso,

consolidada por processo mecânico (fricção) químico (adesão), térmico (coesão) ou alguma

combinação destes. Os não tecidos classificam-se segundo a ABNT quanto à gramatura (peso

por unidade de área) em: leve (menor que 25 g/m2), médio (entre 26 g/m2 e 70 g/m2), pesado

(entre 71 g/m2 e 150 g/m2) e muito pesado (acima de 150 g/m2). Quantos aos processos de

consolidação da manta, eles podem ser classificados em mecânico (fricção), químico (adesão)

e térmico (coesão).

O geotêxtil (TNT) é um dos geossintéticos mais utilizados em obras de engenharia

atualmente, aplicado em obras onde exerce função de separação, de reforço, proteção, ou

como elementos de dreno. A resistência dos geotêxteis contra os tipos de degradação é função

da sua composição química (tipo de polímero) e estrutura física de suas fibras. Os polímeros

mais utilizados para confecção das fibras de geotêxteis são: polipropileno (PP) com 80 %,

polietileno (PE) com 16 %, o poliéster (PET) com 3 % e a poliamida (PA) com 1 %. A Figura

4.3 mostra as estruturas dos meros (ou unidades de repetição), derivadas dos monômeros que

dão origem a estes polímeros.

Figura 4.3 Meros ou unidades de repetição dos principais polímeros empregados na

fabricação dos geossintéticos (ABRAMENTO, 1995).

CAPÍTULO V

5 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Este capítulo descreve os procedimentos experimentais realizados no decorrer desse

trabalho, de acordo com a representação esquemática da Figura 5.1.

Figura 5.1 Representação esquemática da metodologia experimental.

Formulações dos geopolímeros

Geossíntese

Preparação dos compósitos

Resistência à tração por compressão diametral

Caracterização microestrutural e fratográfica

Pega Reologia

Resistência à tração por compressão diametral em idades

5.1 FORMULAÇÃO E GEOSSÍNTESE

De acordo com a literatura, as propriedades mecânicas dos geopolímeros não são

influenciadas pela seqüência de mistura (BARBOSA, 1999). Por isso, foi adotada uma ordem

que permite bom manuseio e mistura dos componentes, segundo observações experimentais

de trabalhos anteriores (NÓBREGA, 2006). Os materiais de partida utilizados para preparar

as pastas geopoliméricas (matriz) tiveram como reagentes, o metacaulim (Metacaulim HP do

Brasil LTDA), silicato de potássio (Diatom Mineração Ltda), hidróxido de potássio (Vetec

Química Fina LTDA) e água. Foram estudadas quatro relações ativadoras: 1: 0,8; 1: 1,5; 1:

1,6 e 1: 1,8 com razão molar KOH 15 (Tabela 5.1).

Tabela 5.1 Componentes utilizados na síntese.

(g)

RAZÃO MOLAR: KOH 15 COMPONENTES

1: 0,8 1: 1,5 1: 1,6 1: 1,8

Metacaulim 800,0 800,0 800,0 800,0 Hidróxido de potássio 213,3 400,0 426,7 480,0

Silicato de potássio 426,7 800,0 853,3 960,0

Escolheu-se trabalhar com as relações acima por apresentarem melhor trabalhabilidade

com os reforços, exceto a relação 1:0,8 que se mostrou viscosa. Também se testou a

formulação 1:1,1, verificando-se vazios dentro da amostra em razão da viscosidade.

Na pasta geopolimérica foi utilizada uma fonte natural de aluminossilicatos, o

metacaulim, a fim de se avaliar o efeito da reatividade na formação dos geopolímeros. As

fontes adicionais de sílica foram os silicatos de potássio. O álcali ativador, compensador de

carga, foi o hidróxido de potássio. As pastas geopoliméricas foram preparadas a partir da

dissolução de lentilhas de hidróxidos de potássio (840 g) em um béquer completando 1 litro

com água. Foi necessário esperar o resfriamento durante 24 h para a utilização da solução. A

solução obtida foi misturada com o silicato de potássio formando o ativador da reação nas

proporções adequadas de acordo com a quantidade a ser trabalhada. Em seguida, adicionou-se

o precursor geopolimérico, metacaulim, agitando-se por 5 min para garantir homogeneidade

da pasta.

5.2 REOLOGIA

Através das propriedades reológicas realiza-se o estudo de escoamento e deformação

do material. O equipamento utilizado para realizar as medidas reológicas foi um viscosímetro

rotacional de cilindros coaxiais Chandler, modelo 3500, conforme mostra a Figura 5.2.

Figura 5.2 Viscosímetro rotacional de cilindros coaxiais Chandler, modelo 3500.

Para caracterizar o comportamento de fluxo da pasta de cimento em qualquer

geometria (tubo, anular), deve ser selecionado um modelo que melhor represente os dados.

Para isto, os dados obtidos (velocidades angulares e leituras de torque) foram convertidos em

taxas de deformação por cisalhamento e tensões de cisalhamento.

Com base em estudos anteriores (MARINHO, 2004) as leituras obtidas no

viscosímetro rotacional foram aplicadas ao modelo de Bingham. O modelo de Bingham

requer a aplicação de uma tensão mínima denominada limite de escoamento para que ocorra

deformação cisalhante. As leituras foram realizadas aplicando-se taxas de deformação por

Seletor de Velocidades

Copo

Rotor

Leitura (º)

cisalhamento ascendentes e descendentes em intervalos de 10 s, mantendo-se a temperatura

constante (27°C). As rotações empregadas foram 3, 6, 10, 20, 60, 100, 200 e 300 rpm.

O modelo reológico de Bingham é descrito pela equação (5.1):

τ = VP ỷ + LE

τ é a tensão de cisalhamento, VP é a viscosidade plástica, ỷ é a taxa de deformação

por cisalhamento e LE é o limite de escoamento.

A tensão de cisalhamento define a força por unidade de área, expressa em Pa ou

1Lf/100ft2, requerida para mover um fluido a uma determinada taxa de cisalhamento.

A viscosidade plástica de acordo com a teoria molecular-coloidal é o resultado do

atrito entre as partículas de cimento dispersas na água de mistura e entre as próprias moléculas

dos componentes da água de mistura (líquido dispersante) (MACHADO, 2002).

Matematicamente é o coeficiente linear da reta do modelo de Bingham, em outras palavras, é

a tensão mínima a ser aplicada afim de que o fluido entre em movimento (LIMA, 2004);

A taxa de deformação por cisalhamento é expressa em sֿ1. O limite de escoamento

representa a força requerida para iniciar o fluxo. O limite de escoamento é um parâmetro

relacionado às forças de interação entre as partículas de cimento dispersas (MACHADO,

2002). Matematicamente, é o coeficiente linear da reta do modelo de Bingham, independente

do tempo. Se, na Equação (5.1), o limite de escoamento for igual a zero, ela traduz o modelo

reológico mais simples, que é o modelo do fluido Newtoniano.

As forças géis são medidas dependentes do tempo e da tensão de cisalhamento de um

fluido sob condições estáticas. São importantes para determinação do regime de escoamento e

previsão das pressões geradas durante as operações de cimentação (LIMA, 2004). As leituras

de gel inicial (Gi) são um indicativo da dificuldade que um fluido apresenta para reiniciar o

movimento depois de uma parada de 10 s. O gel final (Gf) indica a dificuldade que um fluido

apresenta em reiniciar o movimento depois de uma parada de 10 min (NBR 9830, 1993).

5.3 PEGA

A pega de uma pasta de cimento corresponde a um período de transição entre o estado

fluido e o estado sólido, que ocorre devido à evolução das reações de hidratação entre o

material cimentício e a água que compõe a mistura. A pega do cimento é uma etapa

(5.1)

importante, pois confere à pasta propriedades mecânicas (LAPLANTE, 1993) e depende de

fatores tais como: temperatura, composição química do cimento, uso de aditivos minerais e

químicos.

A composição e a temperatura da pasta de cimento (anterior ao início da pega)

influencia o tempo de pega. A reação de hidratação do cimento é termoativada e um prévio

aumento da temperatura da pasta provoca aceleração da reação e, por conseqüência, a

diminuição do tempo de pega. O aumento da quantidade de partículas por unidade de volume

da suspensão permite a criação de uma rede porosa mais fechada durante a pega.

A estrutura de uma pasta de cimento pode ser influenciada pelo tempo de duração de

pega, bem como pelas características da pasta de cimento durante sua confecção, afetando

assim suas propriedades mecânicas e durabilidade. Os tempos de início e fim de pega das

pastas foram determinados utilizando-se a agulha de Vicat, Figura 5.3, segundo a metodologia

descrita na NBR 11581 (1992).

Figura 5.3 Agulha de Vicat.

Nesse ensaio as amostras tinham 40 mm de altura, diâmetro interno superior a 70 mm

e inferior a 80 mm. A agulha de Vicat consiste de um suporte que sustenta uma haste móvel

que pesa 300 g e um indicador de penetração que se desloca ao longo de uma escala graduada

em milímetros. Numa das extremidades da haste coloca-se uma agulha de 50 mm de

comprimento.

As leituras são realizadas fazendo a agulha de Vicat descer sobre a pasta. O tempo de

início de pega é o intervalo decorrido desde o instante em que se lançou a água no cimento. A

pega é o começo do endurecimento. O início de pega é constatado quando a agulha enfrenta

alguma resistência ao atravessar a pasta e para no mínimo 1 mm acima da marcação zero. O

fim da sua pega é constatado quando a agulha não mais penetra na amostra, ou seja, o final da

pega ocorre quando a agulha não penetrou, nem marcou a pasta. Conclui-se que a pasta se

enrijeceu por completo.

As quantidades em gramas de uso dos materiais para pasta de cimento geopolimérico

estão na Tabela 5.1. Foram preparadas as pastas de relação 1:1,5; 1:1,6 e 1:1,8 e verteu-as no

molde troncocônico colocado sobre uma placa de vidro com auxílio da espátula,

regularizando e alisando a superfície.

5.4 PREPARAÇÃO DOS COMPÓSITOS

Para a preparação dos compósitos usou-se o reforço de geomanta e de TNT, ambos de

polipropileno, com medidas de 10x20 cm e 10x30 cm, respectivamente.

Os materiais utilizados como reforços da matriz geopolimérica tiveram a seguinte

procedência: os reforços de geomanta de polipropileno - macmat L foram fornecidos pela

MACCAFERRI do Brasil (São Paulo) e o tecido não tecido de polipropileno - PP novotex foi

fornecido pela FITESA do Brasil (São Paulo).

A geomanta Macmat L é flexível, 100 % polipropileno de alta resistência e de baixo

impacto ambiental, apresenta estrutura mais de 90% de espaços vazios e 520 g/m2, fabricada a

partir de filamentos grossos de polipropileno fundidos no ponto de contato (Figura 5.4).

Figura 5.4 Geomanta de polipropileno.

O tecido não tecido - Novotex é um composto de filamentos contínuos, 100 %

polipropileno, com gramatura 120 g/m2 fabricado pelo processo SMS, composto de três

camadas unidas termicamente, sendo duas camadas externas produzidas no processo

Spundbond, compostas por fibras contínuas que conferem ao material resistência mecânica e

maleabilidade; e outra camada interna produzida pelo processo Meltblown, composta por um

denso aglomerado de microfibras agindo como uma excelente barreira contra agentes

contaminantes. Apresenta alta resistência alcalina e química, conferindo baixa deteriorização

do produto (Figura 5.5).

Figura 5.5 TNT de polipropileno.

10 mm

De posse das pastas geopoliméricas preparadas, as mesmas eram vertidas nos moldes

cilíndricos de 50 mm x 100 mm, já contendo os reforços cortados nas dimensões

especificadas anteriormente, ao longo de toda a altura do molde, como mostra a Figura 5.6.

Na seqüência, as amostras foram protegidas com filme plástico para evitar fissuras e após a

cura foram desmoldadas e armazenadas para ensaios de tração por compressão diametral.

Foram realizadas 90 repetições, sendo 4 amostras em cada ensaio. As amostras permaneceram

em temperatura ambiente (23°C) para cura.

Figura 5.6 a) Solução de KOH e de silicato. b) Adição do precursor geopolimérico c) Mistura

geopolimérica vertida nos moldes cilíndricos com reforço de TNT e geomanta em espiral d)

Amostra de geopolímeros.

5.5 RESISTÊNCIA À TRAÇÃO POR COMPRESSÃO DIAMETRAL

Os ensaios de resistência à tração por compressão diametral tiveram como objetivo

determinar e comparar as cargas de ruptura e as respectivas resistências à tração das amostras

moldadas a partir das misturas com e sem reforços de geomanta e TNT de polipropileno.

a) b)

c) d)

10 mm

O procedimento adotado seguiu o método prescrito na norma NBR 7215 para

resistência à compressão, onde as amostras foram preparadas em lotes de 4 (cada) em moldes

cilíndricos, com dimensões de 50 mm de diâmetro e 100 mm de altura. As amostras foram

conservadas em temperatura ambiente e rompidas após a cura por 48 horas.

Os ensaios de tração por compressão diametral foram realizados em máquina universal

Shimadzu, modelo AG - I (100 kN) de ensaios mecânicos onde as amostras foram submetidas

a uma taxa de carregamento de 17,9 kN/min. Estes ensaios permitiram a verificação do

possível efeito da velocidade sobre a carga de fratura primária do geopolímero. Uma vez

comprovada esta influência, todos os ensaios foram executados com taxa de carregamento

constante.

Um detalhe do ensaio de compressão diametral mostrando a operação utilizada para a

amostra pode ser visualizado na Figura 5.7.

Figura 5.7 Sistema do ensaio de compressão diametral.

O valor médio da resistência à tração por compressão diametral de cada grupo de

quatro amostras foi calculado a partir do máximo de cada curva de força em função do

deslocamento utilizando-se a expressão (5.2):

Amostra

σ = 2f

π D L

Onde, σ é a tração, f é a força, L é o comprimento da amostra e D é o diâmetro da amostra. 5.6 RESISTÊNCIA À TRAÇÃO POR COMPRESSÃO DIAMETRAL EM IDADES

A resistência à tração por compressão diametral em relação a diferentes idades do

geopolímero pode ser avaliada pela sua resistência com objetivo de avaliar sua degradação.

Utilizou-se amostras após: 7, 28, 63, 91 e 182 dias. Foram selecionadas 40 amostras para

análises dos resultados com reforços.

5.7 CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL E FRATOGRÁFICA

A microscopia ótica foi utilizada para análise preliminar dos materiais obtidos. O

equipamento utilizado foi um microscópio Olympus BX 60M com sistema de captura de

imagens. As amostras de precursores foram inicialmente cortadas com disco de carbeto de

silício (amostras sem reforço) e com disco diamantado (amostras reforçadas) e embutidas com

resina a frio de poliéster para análise microestrutural. Ainda nessa etapa as amostras foram

inicialmente lixadas com lixas de granulometria 80, 120, 220, 320, 400 e 600 e polidas.

Informações mais detalhadas sobre a microestrutura dos cimentos geopoliméricos foram

obtidas por microscopia eletrônica de varredura (MEV). O estudo da microestrutura por MEV

foi realizado em um microscópio Philips XL 30 ESEM. Usou-se o microscópio ótico e o

MEV para avaliar a distribuição de reforços e interface e para análise fratográfica

(5.2)

CAPÍTULO VI

6 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Neste capítulo serão apresentados os resultados obtidos no trabalho experimental com

as pastas geopoliméricas de formulação 1:1,5; 1:1,6 e 1:1,8.

6.1 PROPRIEDADES REOLÓGICAS DO GEOPOLÍMÉRO

As pastas preparadas usando-se metacaulim com relação ativador 1:0,8 e razão molar

KOH 15 apresentaram bom aspecto visual, embora não tenha sido possível realizar medidas

reológicas, por apresentarem alta viscosidade. Sua pega foi iniciada poucos minutos após o

início de homogeneização, adquirindo consistência suficiente em 25 min, chegando a ser

impossível trabalhar com a mesma e vertê-la nos moldes com os reforços. As pastas mais

fluidas (relação ativador 1:1,5; 1:1,6 e 1:1,8) possibilitaram o trabalho com os reforços de

TNT e geomanta de polipropileno, como mostra a Figura 6.1.

Figura 6.1a) Pasta geopolimérica relação 1:0,8 b) Pasta geopolimérica relação 1:1,5 c) Pasta

geopolimérica relação 1:1,6 d) Pasta geopolimérica relação 1:1,8.

a) b)

c) d)

Na Figura 6.2 pode-se verificar as taxas de cisalhamento e tensão de cisalhamento das

pastas geopoliméricas de relação 1:1,5; 1:1,6 e 1:1,8.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 100 200 300 400 500 600

Taxa de cisalhamento (1/s)

Ten

são

de c

isal

ham

ento

(L

b/10

0ft2 )

Relação 1:1,5 Relação 1:1,6 Relação 1:1,8

Figura 6.2 Curvas de tensão de cisalhamento em função da taxa de cisalhamento de pastas

geopoliméricas.

Os valores de R2 indicam bom ajuste dos dados experimentais ao modelo de fluxo

Bingham. A Tabela 6.1 mostra os resultados reológicos para as formulações preparadas com

metacaulim, nos ensaios realizados à temperatura ambiente.

Tabela 6.1 Parâmetros reológicos para as pastas geopoliméricas preparadas com

metacaulim, relações 1: 1,5; 1:1,6 e 1:1,8.

RAZÃO MOLAR PARÂMETRO

1:1,5 1:1,6 1:1,8

VP (Pa.s) 0,11 0,08 0,05

LE (Pa) 4,43 2,23 1,53

Gi (Pa) 4,78 1,91 0,96

Gf (Pa) 6,70 6,70 4,30

R2 0,9952 0,9983 0,9987

ττττ = 0,1668ỷ + 4,4894

ττττ = 0,1123ỷ + 3,2075

ττττ = 0,22ỷ+ 9,2596

A maior viscosidade plástica foi observada na razão molar 1:1,5 indicando

provavelmente, um efeito da interação do próprio ativador. É conhecido ainda que à medida

que a concentração de partícula dispersa aumenta, a viscosidade plástica também aumenta.

Enquanto isso, o limite de escoamento aumenta quando as forças interpartículas aumentam,

isso é, quando aumenta o potencial iônico do meio, causando um aumento das forças

eletrostáticas de interação entre as partículas dispersas (MACHADO 2002).

De acordo com os resultados obtidos na viscosimetria, os valores de força gel inicial

para as pasta geopolimérica de relação 1:1,5; 1:1,6 e 1:1,8 foram inferiores aos de força gel

final. Como o tempo de repouso para a determinação do gel inicial foi curto (10 s), não houve

interação significativa entre os componentes da pasta geopolimérica para promover valores

maiores de gel inicial. Observou-se que a força gel final com razão molar 1:1,6 mostrou-se

igual à força gel final de razão molar 1:1,5. Isso se deu devido ao pouco acréscimo da relação

molar ativador entre as mesmas. Para maiores razões molares de ativador, ocorreu diminuição

dos valores de força gel final. Isso é devido ao aumento da velocidade na reação que favorece

o maior tempo de repouso da pasta e, conseqüentemente, o maior tempo de pega.

Do ponto de vista reológico, a melhor formulação foi a razão molar ativador 1:1,8 devido

ao menor valor de VP, LE e força gel. No entanto, como se pretende obter pastas com pega rápida

e não tão fluidas, decidiu-se trabalhar com reforços a razão molar 1:1,5.

6.2 PEGA

O hidróxido de potássio e o silicato de sódio produzem notável aceleração do tempo

de início de pega. A pasta geopolimérica com relação ativador 1: 0,8 apresentou menor tempo

de pega (25 min) enquanto que a de relação ativador 1:1,8; devido sua maior concentração

ativadora em sua composição em comparação as outras formulações usadas, possibilitou uma

pega em maior tempo (2h e 40 min), mostrando-se uma pasta fluida.

Os resultados em relação à consistência e tempo de pega das relações 1:0,8; 1:1,5;

1:1,6 e 1:1,8 estão listados na Figura 6.3 (a, b, c e d). O tempo de pega para cada mistura é

apresentado na Tabela 6.2.

0

9

18

27

36

45

0 6 12 18 24 30

Tempo (min)

Con

sist

ênci

a (m

m)

(a)

0

8

16

24

32

40

0 20 40 60 80 100

Tempo (min)

Con

sist

ênci

a (m

m)

(b)

Figura 6.3 Tempo de pega de cimentos geopoliméricos com relação (a) 1:0,8; (b) 1:1,5.

0

9

18

27

36

45

0 20 40 60 80 100

Tempo (min)

Con

sist

ênci

a (m

m)

(c)

0

8

16

24

32

40

48

0 30 60 90 120 150 180

Tempo (mim)

Con

sist

ênci

a (m

m)

(d)

Figura 6.3 Tempo de pega de cimentos geopoliméricos com relação (c) 1:1,6 e (d) 1:1,8.

Tabela 6.2 Tempo de pega das misturas.

PASTAS TEMPO TOTAL DE PEGA

1:0,8 25 min 1:1,5 1h e 20 min 1:1,6 1h e 40 min 1:1,8 2 h e 40 min

6.3 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS CIMENTOS GEOPOLIMÉRICOS.

Os ensaios mecânicos de tração por compressão diametral do cimento geopolimérico

com e sem reforço foram realizados após a cura por 48 h em temperatura ambiente. Foram

avaliadas pastas com relação ativador: 1: 0,8; 1: 1,5; 1: 1,6 e 1: 1,8 de razão molar para o

KOH 15. Através dos ensaios de tração por compressão diametral para a relação ativador

1:0,8 trabalhou-se apenas com o geopolímero sem reforço, pela sua alta viscosidade.

Para cada grupo de quatro ensaios mecânicos de tração por compressão diametral,

escolheu-se uma amostra representativa para ilustração gráfica do comportamento do grupo.

Para exemplificar o critério, tome-se a relação 1:0,8, conforme a Figura 6.4.

As análises referentes às médias de forças por deslocamento foram convertidas em

resistência à tração por compressão diametral, as quais encontram-se nas tabelas 6.3 após

análises dos gráficos.

0

5

10

15

20

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Deslocamento (mm)

For

ça (

kN)

Figura 6.4 Curva de força por deslocamento.

Analisou-se à tração por compressão diametral do geopolímero sem reforço com as

relações ativadoras: 1:0,8; 1:1,5; 1:1,6 e 1:1,8 de razão molar para o KOH 15. Observou-se

que a resistência variou em valores de aproximadamente 1,0 a 2,3 MPa. A Figura 6.5 mostra

as curvas de forças por deslocamento das relações ativadoras descritas anteriormente.

O desempenho mecânico apresentado pela resistência das pastas de relação 1:1,8 foi

menor em relação às outras relações estudadas. Esse resultado deve-se à maior concentração

do ativador e o aumento do teor de água na mistura geopolimérica. Conforme pode ser

observado na Figura 6.6, a relação 1:1,8 produz pastas mais fluidas contribuindo para

formação de poros tornando-se cada vez mais permeáveis comprometendo a resistência do

geopolímero.

0

5

10

15

20

0 0,08 0,16 0,24 0,32 0,4 0,48 0,56

Deslocamento (mm)

For

ça (

kN)

Relação_1:0,8 Relação_1:1,5

Relação_1:1,6 Relação_1:1,8

Figura 6.5 Curvas de forças por deslocamento de cimentos geopoliméricos sem reforço em

ensaios de tração por compressão diametral.

Figura 6.6 Presença de poros no momento da fratura do geopolímero relação 1:1,8.

Na relação 1:1,5 foi possível trabalhar com o geopolímero sem e com reforços, por sua

pega ser lenta em relação a 1: 0,8, ou seja, a pasta apresentou-se mais fluida. A resistência

variou em valores de aproximadamente 1,5 MPa (sem reforço) a 2,1 MPa (com TNT). A

Figura. 6.7 mostra as curvas de forças por deslocamento.

0

6

12

18

0 2 4 6

Deslocamento (mm)

For

ça (

kN)

Sem_reforço_1:1.5 TNT_1:1.5

geomanta_1:1.5

Figura 6.7 Curvas de forças por deslocamento em ensaios de tração por compressão diametral

de cimento geopolímero com e sem reforço de TNT e geomanta de PP, relação 1:1,5.

poros

10 mm

Na relação 1:1,6 foi possível trabalhar com o geopolímero na presença dos reforços de

geomanta e de TNT de polipropileno, pelo motivo também da pasta mostrar-se mais fluida. A

Figura 6.8 mostra as curvas de forças por deslocamento.

A resistência apresentada pela pasta geopolimérica sem reforço com relação 1:1,6 foi

1,2 MPa, enquanto o geopolímero reforçado com geomanta apresentou sua resistência de 1,3

MPa e a matriz geopolimérica reforçada com TNT 2,1 MPa.

0

4

8

12

16

20

0 0,7 1,4 2,1 2,8 3,5

Deslocamento (mm)

For

ça (

kN)


geomanta_1:1.6


de cimento geopolímero sem reforço, com reforço de TNT e geomanta de PP relação 1:1,6.

Na relação 1:1,8 possibilitou o trabalho com as amostras reforçadas tanto de geomanta

como TNT de polipropileno. O geopolímero sem reforço obteve resistência de 1,0 MPa

enquanto o geopolímero reforçado com geomanta apresentou resistência de 1,2 MPa. A

matriz geopolimérica reforçada com TNT teve resistência de 1,9 MPa. A Figura 6.9 mostra as

curvas de forças por deslocamento para esta relação.

0

4

8

12

16

20

0 2 4 6 8

Deslocamento (mm)

For

ça (

kN)


geomanta_1:1.8


de cimento geopolímero sem reforço, com reforço de TNT e geomanta de PP relação 1:1,8.

Os melhores resultados de resistência à tração por compressão diametral foram

apresentados pela relação ativador 1:0,8. Porém, como não foi possível trabalhar com reforços

nessa formulação considerou-se o segundo maior valor, ou seja, a relação 1:1,5 (Tabela 6.3).

As formulações 1:1,6 e 1:1,8 se apresentaram mais porosas do que as de relação

ativador 1:1,5; motivo que fez apresentarem menor resistência à tração por compressão

diametral.

A resistência à tração por compressão diametral do geopolímero com reforço de

geomanta foi maior em relação ao sem reforço (Tabela.6.3). No entanto, aumentos mais

significativos foram observados com o geopolímero reforçado com TNT de polipropileno na

relação ativador 1:1,5 (Tabela.6.3).

Com o uso dos reforços na matriz geopolimérica, aumentou a capacidade de suportar

carga aplicada por mais tempo e as amostras passaram a apresentar maiores deformações,

algo que não era possível com geopolímero sem reforço.

Diante desses resultados, para análise de resistência à tração por compressão diametral

dos geopolímeros com maiores idades escolheu-se à relação ativador 1:1,5.

Tabela 6.3 Resistência à tração por compressão diametral para relação ativador/metacaulim,

sem e com reforço de geomanta e TNT .

Relação Ativador/Meta-

caulim

Sem reforço Resistência e desvio

padrão (MPa)

Reforço geomanta Resistência e desvio

padrão (MPa)

Reforço TNT Resistência e desvio

padrão (MPa)

1:0,8

2,24 ±0,45 -

-

1:1,5 1,40 ±0,35 1,46 ±0,37 2,01 ±0,36 1:1,6 1,21 ±0,27 1,25 ±0,34 1,96 ±0,44 1:1,8 1,01 ±0,34 1,12 ±0,35 1,88 ±0,38

6.4 RESISTÊNCIA À TRAÇÃO POR COMPRESSÃO DIAMETRAL EM IDADES

Trabalhou-se com o geopolímero reforçado por geomanta e TNT de polipropileno.

Usou-se relação molar ativador 1:1,5, por apresentar melhores resultados no ensaio de

resistência à tração por compressão diametral. Observando os gráficos, de forma geral, o

comportamento foi similar aos ensaios de resistência realizados anteriormente. A geomanta e

o TNT continuaram a possibilitar maior deformação ao compósito permitindo que a matriz

geopolimérica não fraturasse e se rompesse instantaneamente.

O resultado da resistência à tração por compressão diametral com reforço de geomanta

chegou a 1,4 MPa para 7 dias. O valor de resistência para o geopolímero com reforço de TNT

chegou a 0,6 MPa. A Figura 6.10 a e b mostra as curvas de forças por deslocamento para esta

relação.

0

3

6

9

12

0 1 2 3

Deslocamento (mm)

For

ça (

kN)

amostra 1 amostra 2 amotra 3 amostra 4

(a)

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4

Deslocamento (mm)

For

ça (

kN)

amostra 1 amostra 3

amostra 4 amostra 5

(b)


relação 1:1,5 _ 7 dias e (b) TNT relação 1:1,5 _ 7 dias.

Para 28 dias, o resultado da resistência à tração por compressão diametral com reforço

de geomanta chegou a 1,4 MPa. A resistência do geopolímero com reforço de TNT chegou a

0,6 MPa. A Figura 6.11 a e b mostra as curvas de forças por deslocamento para esta relação.

0

3

6

9

12

0 1 2 3 4 5

Deslocamento (mm)

For

ça (

kN)

amostra 1 amostra 2

amostra 3 amostra 4

(a)

0

2

4

6

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Deslocamento (mm)

For

ça (

kN)

amostra 1 amostra 2

amostra 3 amostra 4

(b)




chegou a 1,5 MPa para 63 dias, enquanto o geopolímero com reforço de TNT atingiu 0,9 MPa

após o mesmo período. A Figura 6.12 a e b mostra as curvas de forças por deslocamento

correspondentes aos ensaios de tração por compressão diametral para esta relação molar.

0

3

6

9

12

15

0 1 2 3

Deslocamento (mm)

For

ça (

kN)

amostra 1 amostra 2

amostra 3 amostra 4

(a)

0

2

4

6

8

10

0 2 4 6 8

Deslocamento (mm)

For

ça (

kN)

amostra 1 amostra 2

amostra 3 amostra 4

(b)


relação 1:1,5 _ 63 dias e (b) . TNT relação 1:1,5 _ 63 dias.

Para 91 dias, a resistência à tração por compressão diametral com reforço de geomanta

foi de 1,5 MPa e o geopolímero com reforço de TNT apresentou 1,0 MPa. A Figura 6.13 a e b

mostra as curvas dos respectivos ensaios.

0

3

6

9

12

15

0 1 2 3 4 5

Deslocamento (mm)

For

ça (

kN)

amostra 1 amostra 2

amostra 3 amostra 4

(a)

0123456789

0 2 4 6 8 10

Deslocamento (mm)

For

ça (

kN)

amostra 1 amostra2 amostra 3 amostra 4

(b)




para 182 dias chegou a 1,6 MPa. O geopolímero com reforço de TNT apresentou 1,3 MPa de

resistência. A Figura 6.14 a e b mostra as curvas de forças de deslocamento.

0

3

6

9

12

15

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

deslocamento(mm)

For

ça(k

N)

corpo 1 corpo 2 corpo 3 corpo 4

(a)

0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15

Deslocamento(mm)

For

ça(k

N)

amostra 1 amostra 2 amostra 3 amostra 4

(b)

Figura 6.14 Curvas de forças de deslocamento do geopolímero com reforço de (a) geomanta


Foram comparados os resultados de resistência à tração por compressão diametral

após tempos de 7, 28, 63, 91 e 182 dias para os geopolímeros com reforço de geomanta e

TNT de polipropileno da relação ativador 1:1,5. Observou-se uma redução de resistência após

28 dias no geopolímero com reforço de TNT, provavelmente devido à porosidade ou

diferenças na atmosfera de cura, tais como a umidade relativa do próprio laboratório, pois o

geopolímero é muito sensível. Os outros valores de resistência aumentaram com o tempo,

devido às reações químicas de hidratação e, concomitante com as reações de geossíntese que

ocorrem ao longo do tempo.

A variação no desvio padrão retrata a sensibilidade do geopolímero às condições de

preparo. A energia de mistura e a agitação interferem na formação e no crescimento das

cadeias geopoliméricas. Isso explica a variação do comportamento de cada amostra. Um

resumo dos valores discutidos anteriormente de resistência à tração por compressão diametral

e os respectivos desvios padrões encontra-se na Tabela 6.4.

Tabela 6.4 Resistência à tração por compressão diametral em função da idade para relação

ativador/metacaulim 1:1,5.

Idade do geopolímero (dias)

Reforço geomanta Resistência e desvio

padrão (MPa)

Reforço TNT Resistência e desvio

padrão (MPa)

7

1,35 ± 0,43

0,58 ±0,31 28 1,36 ±0,38 0,55 ±0,42 63 1,40 ± 0,47 0,86 ±0,36 91 1,47 ±0,30 0,97 ±0,37

182 1,49 ± 0,44 1,27 ±0,41

Foi observado nas amostras geopoliméricas uma pequena retração após os devidos

tempos de cura. Inicialmente as mesmas apresentavam diâmetros de 50 mm. Isso pode

explicar a ocorrência de desvios padrões variados nos ensaios de resistência de tração por

compressão diametral, pois os corpos não apresentaram retrações iguais. Na Tabela 6.5 estão

as médias dos valores de retração ocorridos em cada ensaio. Para a representação de retração

usou-se o sinal (-).

Tabela 6.5 Retração dos geopolímeros em função do tempo de cura.

Diâmetro/ Retração (-)

Razão Molar

Tempo de Cura

TNT Geomanta 7 dias 50,00 / 0,00 28 dias 50,00 / 0,00 63 dias 50,00/ - 0,03 91 dias 50,00/ - 0,05

1:1.5

182 dias 50,00/ - 0,08 Total de amostras

40

6.5 CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL E FRATOGRÁFICA

Na Figura 6.15 (a, b, c e d) observam-se micrografias obtidas por microscopia ótica. O

material geopolimérico é poroso. É possível observar na Figura. 6.15 a, bolhas que ficaram

retidas durante o processo de geossíntese. Pode-se verificar não só o cimento geopolímero,

mas também as zonas de interface geopolímero/geomanta e geopolímero/TNT (Fig 6.15 b, c e

d) que se apresentaram seladas e sem porosidade. A observação da zona de interface permitiu

verificar que a ligação entre a geomanta e geopolímero é de boa aderência. Da mesma forma,

a zona de interface do geopolímero /TNT apresenta boa aderência à manta, conforme a

Figura. 6.15 d.

(a)

(b)

Figura 6.15 (a) Micrografia geopolímero sem reforço. (1) presença de bolhas. (b) Micrografia

de geopolímero com geomanta de polipropileno. (2) geomanta, (3) zona de interface.

1

2

3

(c)

(d)

Figura 6.15 (c) Micrografia geopolímero com geomanta de polipropileno. (4) geomanta e d)

Micrografia de geopolímero com reforço de TNT de polipropileno. (5) TNT, (6) interface.

Apesar do pequeno aumento utilizado, foi possível notar que a água forma canais

dentro da pasta, e que o teor de água presente é um dos fatores responsáveis pela resistência

da estrutura formada e da porosidade da amostra. Isto pode ser explicado com base na

estrutura tridimensional dos aluminossilicatos.

4

5 6

Com a finalidade de identificar a interface reforço/matriz foram realizadas análises no

microscópio eletrônico de varredura em amostras fraturadas, após ensaio de resistência à

tração por compressão diametral com o cimento geopolimérico sem e com reforço de

geomanta e TNT de polipropileno.

A Figura 6.16 mostra as microestruturas obtidas pelo microscópio eletrônico de

varredura. A matriz geopolimérica presente na Figura 6.16 a, mostra cavidades na superfície

da matriz. A matriz geopolimérica presente na Figura 6.16 b mostra a presença de vazios, o

que fragilizou o geopolímero contribuindo para o surgimento de trincas durante o ensaio de

tração por compressão diametral.

Nas micrografias das Figuras 6.16 c e 6.16 d verificou-se a existência de secções de

fratura correspondente à matriz geopolimérica. Nota-se como a trajetória da trinca foi alterada

pelo reforço da geomanta. Na Figura 6.16 e foi percebido, na zona de interface matriz /

reforço, que mesmo após a fratura a interface matriz/reforço da geomanta apresentou a região

selada.

As micrografias das Figuras 6.16 f, g e h com TNT apresentaram secções de fratura

correspondentes à matriz geopolimérica. A micrografia do geopolímero sem reforço

apresentou vazios pelo fato da água gerar canais dentro da pasta durante a pega, enquanto as

matrizes com adição de reforço, se mostraram mais coesas, seja geomanta ou TNT de

polipropileno. Os vazios foram reduzidos e as fraturas analisadas foram ocasionadas devido às

fraturas induzidas pelo ensaio de tração por compressão diametral.

(a)

(b)

Figura 6.16 (a) Micrografia eletrônica do geopolímero sem reforço. (b) Micrografia eletrônica

do geopolímero sem reforço demonstrando a zona da matriz no local da fratura (1) e vazios

(2).

(c)

1

2

3

(d)

Figura 6.16 (c) Micrografia eletrônica do geopolímero com reforço demonstrando a zona de

interface matriz/geomanta no local da fratura (3). (d) Micrografia eletrônica do geopolímero

com reforço demonstrando a zona de interface matriz/geomanta no local das fraturas (4 e 5) e

a região selada da interface (6).

(e)

5

4 6

7

(f)

Figura 6.16 (e) Micrografia eletrônica do geopolímero com reforço demonstrando a zona de

interface matriz/geomanta no local da fratura (7). (f) Micrografia eletrônica do geopolímero

com reforço demonstrando a zona de interface (9) matriz/TNT no local da fratura (8).

(g)

9

8

10

(h) Figura 6.16 (g) Micrografia eletrônica do geopolímero com reforço demonstrando a zona de

interface matriz/TNT no local da fratura (10). (h) Micrografia eletrônica do geopolímero com

reforço demonstrando a zona de interface matriz/TNT (12) no local da fratura, (11) bolhas

(13) TNT.

11

12

13

CAPÍTULO VII

7 CONCLUSÕES

De acordo com os resultados obtidos pode-se concluir que, de forma geral, a adição da

geomanta e TNT de polipropileno, como elementos de reforço, melhorou as propriedades

mecânicas dos compósitos de cimento geopolimérico em relação à matriz sem reforço, logo:

1. Os resultados obtidos mostraram que a composição dos materiais de partida e a

concentração de hidróxido de potássio influenciaram diretamente nas propriedades das pastas

geopoliméricas. O aumento da quantidade de hidróxido de potássio acelerou a reação.

2. O não equilíbrio entre o precursor e os componentes do ativador interfere na resistência

mecânica e na velocidade da reação dos geopolímeros.

3. Formulações com menor quantidade de ativador não são indicadas por apresentarem

dificuldades no preparo e homogeneização das pastas.

4. As pastas que possibilitaram trabalho com os reforços foram as mais fluidas.

5. A resistência à tração por compressão diametral foi influenciada pelas diferentes relações

molares do geopolímero, bem como a relação de água que influencia na porosidade e fissuras.

6. Os geopolímeros com reforço de geomanta e TNT obtiveram ganho de resistência à tração

por compressão diametral comparando as amostras de geopolímeros sem reforços. Os

melhores resultados foram para os geopolímeros com reforço de TNT.

7. Após a análise de resistência à tração por compressão diametral em idades, os melhores

resultados foram apresentados com reforço de TNT.

8. A geomanta e o TNT mostraram-se compatíveis com a matriz e desenvolveram zonas

contínuas de transição interfacial (matriz/reforço).

SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

No decorrer deste trabalho foram identificados assuntos os quais se beneficiariam com

a realização de futuras pesquisas. De importância particular são os seguintes:

1. Investigação da evolução de propriedades mecânicas em função do tempo em pastas

de cimento Portland com substituição as de geopolímero com os mesmos reforços.

2. Estudo da influência de adições fibrosas e de agregados porosos nas pastas de

cimentos geopoliméricos.

3. Análise das microestruturas das amostras geopoliméricas após envelhecimento ao

natural em tempos mais longos.

4. Estudar o comportamento das formulações com uso de hidróxido de sódio (NaOH)

substituindo o hidróxido de potássio (KOH) usado nesse trabalho.

5. Estudar o uso de aditivos nas formulações, como por exemplo, aceleradores e

retardadores de pega.

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE … · 2015-03-31 · Figura 4.3 Meros ou unidade de repetição dos principais polímeros empregados