Estudo da influência do tipo de ativador alcalino e da relação Si/Al no comportamento de pastas geopoliméricas sujeitas a altas temperaturas

Abstract

Materiais ligantes que apresentam estabilidade térmica devem suportar alterações volumétricas e fissuração e devem manter a sua resistência a altas temperaturas durante a sua utilização. Como exemplo, os cimentos geopoliméricos são considerados termicamente estáveis quando seu volume, resistência e composição química não mudam após o tratamento térmico. A estabilidade térmica deve-se à correta seleção das matérias-primas, bem como às relações molares adequadas dos aluminossilicatos e da solução alcalina. No entanto, não há muitas pesquisas sobre o efeito da relação Si/Al e do tipo de ativador alcalino no comportamento de geopolímeros em altas temperaturas (acima de 500 °C). Portanto, neste estudo, foi avaliada a influência da relação Si/Al (1,01, 1,31 e 1,78) e do ativador alcalino (hidróxido de sódio com silicato de sódio e hidróxido de potássio com silicato de potássio), bem como a temperatura limite (23, 500, 700, 900, 1.100 e 1.200 °C), em geopolímeros produzidos com metacaulim, nas escalas micro, meso e macroestruturais. As amostras geopoliméricas foram caracterizadas pelas técnicas de DRX, FTIR, DSC/TG, MEV, condutividade térmica, além do ensaio de resistência à compressão. Os resultados mostraram que os geopolímeros apresentam estabilidade química em nível de microescala (fases) após exposição térmica, mantendo uma estrutura amorfa até 900 °C, formando a fase refratária da leucita (KAlSi2O6) a partir de 1.100 °C para aquelas amostras ativadas com potássio, e a fase nefelina (NaAlSiO4) para os ativados com sódio. As ligações químicas não foram significativamente influenciadas pela temperatura, uma vez que as cadeias moleculares mais fortes não foram alteradas após o tratamento térmico. A diminuição da resistência das amostras de geopolímero após o aquecimento depende da relação Si/Al e das mudanças volumétricas que ocorrem devido à perda de água das amostras. Houve um aumento significativo na resistência para menor relação Si/Al (1,01) nas composições ativadas com potássio, após aquecimento a 1.200 °C. Os resultados mostram o potencial dos cimentos geopoliméricos para estruturas mais eficientes submetidas a altas temperaturas.

Abstract: Bonding materials with thermal stability during their used should withstand volumetric changes and cracking and should retain their strength at high temperatures. As an example, geopolymeric cements are considered thermally stable when their volume, strength and chemical composition do not change after heat treatment. The thermal stability is due to the correct selection of the raw materials as well as adequate molar ratios of the aluminosilicates and alkaline solution. However, there is not much research on the effect of the Si/Al ratio and type of alkaline activator on the geopolymer behavior under high temperatures (over 500 °C). Therefore, in this study, the influence of the Si/Al ratio (1.01, 1.31 and 1.78) and the alkaline activator (sodium hydroxide + sodium silicate and potassium hydroxide + potassium silicate) was evaluated, as well as the limit temperature (23, 500, 700, 900, 1100 and 1200 °C), on geopolymers produced with metakaolin at the micro, meso and macro scale. The geopolymeric samples were characterized by the XRD, FTIR, DSC / TG, SEM, thermal conductivity, in addition to the compressive strength test. As a result, the geopolymers show chemical stability at the microscale level (phases) after heat treatment, keeping an amorphous structure up to 900 °C, forming the leucite refractory phase (KAlSi2O6) beginning at 1,100 °C for those samples activated with potassium, and the nepheline phase (NaAlSiO4) for those activated with sodium. The chemical bonds were not significantly influenced by temperature since the strongest molecular chains were not changed after heat treatment. The decrease in strength of the geopolymer samples after heating depends on the Si/Al ratio and on the volumetric changes that occur due to the loss of water of the specimens. There was a significant increase in strength at lower Si/Al ratio (1.01) for samples activated with potassium after heating to 1,200 °C. The results show the potential of geopolymeric cements for more efficient structures under fire.