Estudo da durabilidade de cimento geopolimérico composto com resíduo do polimento de placas de porcelanato e submetido ao ataque de ácido e de sulfato

Abstract

O cimento Portland foi um dos principais materiais desenvolvidos nos últimos 200 anos, estando presente no ambiente construído e nas obras de infraestrutura, sendo, em proporções mássicas, o produto mais fabricado no mundo. Todavia, diversos trabalhos relatam casos de deterioração precoce dos materiais cimentícios em ambientes quimicamente agressivos, decorrente da presença de ácidos e de sulfatos, os quais estariam associados às limitações intrínsecas do cimento Portland, perante tais substâncias. Por outro lado, algumas pesquisas indicam que o emprego dos cimentos geopoliméricos, como ligante alternativo ao Portland, pode alcançar maior durabilidade nessas condições ambientais. Assim, neste trabalho, estudou-se a durabilidade de cimentos geopoliméricos à base de metacaulim, frente à ação do ácido sulfúrico e do sulfato de magnésio, analisando o efeito que a substituição parcial de 15%, 30% e 45% de metacaulim pelo resíduo do polimento de porcelanato (RPP) e da concentração que o ativador alcalino exerce nos geopolímeros submetidos a essas circunstâncias. A metodologia experimental consistiu na condição de exposição acelerada, mediante a imersão contínua das amostras em solução de ácido sulfúrico a 10 g/L e de sulfato de magnésio a 50 g/L durante, respectivamente 45 e 90 dias com avaliação de propriedades mecânicas, micro e macroestrutural realizadas no decorrer e ao término do período de exposição. As análises experimentais permitiram concluir que o ataque ácido se caracteriza pela troca iônica entre o sódio da matriz e o hidrogênio do ácido, comprometendo as ligações de Si-O-Al, de forma a deteriorar o produto da geopolimerização. O ataque de sulfato, por seu turno, provocou o ingresso do cátion da solução (Mg2+) para o interior da matriz, ligando-se ao gel aluminossilicato, o que proporcionou o aumento da resistência mecânica das amostras. A variação efetuada na concentração do ativador alcalino dos geopolímeros não exerceu influência perante a ação do ácido e do sulfato, inferindo ser mais apropriado optar pela amostra de menor concentração, em razão de seu menor custo e impacto ambiental. As análises comparativas, realizadas entre a parcela da borda e do centro de um mesmo corpo de prova, permitiram avaliar o ingresso do agente químico em função do tempo de exposição. Especificamente quanto ao ataque ácido, a incorporação do resíduo propiciou benefícios, como ter apresentado maior estabilidade térmica devido a menor perda de massa e exibir menor degradação superficial. No ataque de sulfato, o comportamento das amostras geopoliméricas em função do resíduo não demonstrou diferença significativa. Considerando o conjunto dos resultados, os geopolímeros à base de metacaulim e/ou com até 30% de substituição parcial por RPP, demonstraram considerável durabilidade em ambientes com presença de ácido e sulfato. Dessa forma, esta pesquisa contribuiu para o desenvolvimento de cimentos geopoliméricos mais eficientes e duráveis.

Abstract: Portland cement was one of the main materials developed in the last 200 years, being present in the built environment and in infrastructure works, being, in massive proportions, the most manufactured product in the world. However, several studies report cases of early deterioration of cementitious materials in chemically aggressive environments, due to the presence of acids and sulfates, which would be associated with the intrinsic limitations of Portland cement in the face of such substances. On the other hand, some research indicates that the use of geopolymer cements, as an alternative binder to Portland, can achieve greater durability under these environmental conditions. Thus, in this work, the durability of metakaolin-based geopolymer cements was studied against the action of sulfuric acid and magnesium sulfate, analyzing the effect that the partial replacement of 15%, 30% and 45% of metakaolin by the residue of porcelain polishing (PPR) and the concentration that the alkaline activator exerts on geopolymers subjected to these circumstances. The experimental methodology consisted on the accelerated exposure condition, through the continuous immersion of the samples in a solution of sulfuric acid at 10 g/L and in magnesium sulfate at 50 g/L for, respectively, 45 and 90 days with evaluation of mechanical properties, micro and macrostructural analysis carried out during and at the end of the exposure period. The experimental analyzes allowed to conclude that the acid attack is characterized by the ion exchange between the sodium of the matrix and the hydrogen of the acid, compromising the Si-O-Al bonds, in order to deteriorate the geopolymerization product. The sulfate attack, in turn, caused the ingress of the cation from the solution (Mg2+) into the matrix, binding to the aluminosilicate gel, which increased the mechanical strength of the samples. The variation made in the concentration of the alkaline activator of the geopolymers did not influence the action of acid and sulfate, inferring that it is more appropriate to opt for the sample with lower concentration, due to its lower cost and environmental impact. Comparative analyses, carried out between the portion of the edge and the center of the same specimen, made it possible to evaluate the entrance of the chemical agent as a function of the exposure time. Specifically regarding the acid attack, the incorporation of the residue provided benefits, such as greater thermal stability due to lower mass loss and exhibiting less surface degradation. In the sulfate attack, the behavior of the geopolymer samples as a function of the residue did not show a significant difference. Considering the set of results, geopolymers based on metakaolin and/or with up to 30% partial replacement by PPR, demonstrated considerable durability in environments with the presence of acid and sulfate. Thus, this research contributed to the development of more efficient and durable geopolymer cements.