sexta-feira, 3 de julho de 2020

DESCOBRINDO UM POUCO DO MUNDO DOS MATERIAIS ALCALINAMENTE ATIVADOS


Marco Antônio de Morais Alcantara

A ativação alcalina constitui-se em um processo de interação de materiais, caracterizado pela degradação e solubilização de elementos inorgânicos por um ataque alcalino, com a posterior coagulação, condensação e cristalização interna, e podendo ou não ocorrer o surgimento de uma estrutura organizada e resistente, dotada de propriedades estruturais.

De modo geral, os materiais mais conhecidos, passíveis de sofrer o ataque alcalino com a reorganização na forma de produtos cimentantes são os aluminossilicatos, escórias, metacaulim e cinzas volantes; e as bases alcalinas conhecidas são o hidróxido de sódio (NaOH), hidróxido de potássio (KOH), ou sais básicos, como o silicato de sódio e de alumínio. Os materiais que recebem o ataque alcalino são chamados normalmente de “precursores”, enquanto que os que promovem o ataque são chamados de "ativadores".

Dentro do universo dos materiais inorgânicos alguns processos também exibem a ocorrência de promover um ataque alcalino, com a concomitante solubilização de elementos inorgânicos, e com posterior cimentação, tal como é caso do processo pozolânico, onde, o hidróxido de cálcio Ca(OH)2 atua como uma base forte, promovendo a dissolução de elementos ou substâncias tais como a sílica (SiO2) e a alumina (Al2O3), e fixando-as com a formação de silicatos de cálcio hidratados em forma gel, mesmo em condições submersas.

Ainda pode-se considerar que o próprio cimento Portland, o qual apresenta atuação em ambiente alcalino, e os seus constituintes hidratados se mantém estáveis preferencialmente dentro desta condição.

A história da concepção e do conceito acerca dos materiais alcalinamente ativados

Segundo Torgal e Jalali (2009), a discussão sobre os ligantes por ativação alcalina remontam a década de 40, na Bélgica, sendo Purdon (1940), a referência. Purdon (1940) apresenta o processo de ativação alcalina das escórias em duas fases: (i) uma fase inicial onde ocorre a liberação de sílica, alumina, e hidróxido de cálcio, (ii) uma outra fase posterior, de formação de silicatos e de aluminatos de cálcio hidratados. O papel do hidróxido dos metais alcalinos consistia em agir como catalisador do processo.

Glukhovsky (1959) buscou encontrar um relacionamento entre a ativação alcalina e os materiais utilizados as construções históricas, tais como as pirâmides egípcias e as construções romanas. Constatou o autor que os materiais destas construções apresentavam como constituintes aluminossilicatos cálcicos hidratados, em semelhança com os do cimento Portland, e ainda, de fases cristalinas como as que são encontradas em analcitas, minerais da crosta.

Em face a estas observações, Glukhovsky buscou a construção de um material constituído a base de aluminossilicatos moídos com a adição de resíduos industriais ricos em álcalis, o qual ele denominou de “solo-cimento”, em face de ser constituído a base de materiais naturais, e de ter propriedades cimentantes (TORGAL e JALALI, 2009). convém aqui ressaltar que este material, denominado por solo-cimento, não é compreendido como o material contemporâneo que temos sob esta mesma denominação.

Outras observações foram feitas, despertando ainda a atenção dos pesquisadores, e que tocavam aos atributos quanto à resistência mecânica e à durabilidade destes materiais. Quanto à natureza da microestrutura interna, identificações foram feitas acerca destes produtos de ativação, de onde se encontrou características similares com as dos produtos que ocorrem no mundo geoquímico, denominados por “zeólitas”. O processo de formação das zeólitas, um tipo de mineral formado pela coagulação e reunião de minerais sob determinadas condições de um ambiente fisico-químico e aquoso intrigou os pesquisadores e observadores, de modo a haver alguma semelhança entre o processo de formação das zeólitas e a microestrutura de alguns materiais alcalinamente ativados.

Esta visão de microestrutura, em termos de arranjos formados, veio a ser anunciada como uma confirmação através das pesquisas e dos resultados de Davidovits (1979), um pesquisador francês. Este se ocupou da ativação alcalina do caulim e do metacaulim, concluindo que a estrutura formada assume uma configuração espacial a partir da reunião das unidades minerais básicas, a qual ele denominou por “geopolímero”.

Este termo “geopolímero” tem sido apontado como que o produto final da ativação, restritos a alguns dos casos de ativação alcalina, em particular com a ativação de aluminossílicatos. Com relação à unidade básica do polímero inorgânico, Davidovits (1987) denominou de Sialato, enquanto que, a estrutura toda formada ele a denominou de Polissialato.

Esta compreensão vem sendo adotada até hoje, sendo que os pontos específicos do processo têm sido os objetos de investigação.

Como impactos dos materiais alcalinamente ativados no mundo técnico, em tempos recentes, têm-se que, estes tiveram o aumento da atenção em face de suas propriedades relevantes, tais como: a elevada resistência mecânica; as condições promissoras de durabilidade; a resistência a altas temperaturas; a grande resistência ao ataque químico; a não sujeição às reações álcali-agregado; e ainda apresenta elevada adesão aos elementos metálicos e não metálicos; baixo custo, e baixas emissões de CO2 quando na fabricação (DUXSON et al, 2007). Palomo et al (1999) o consideraram como o “aglomerante do futuro”.

Distinção entre os principais tipos de precursores

De modo a se compreender melhor os materiais inorgânicos cimentantes, dentro de um quadro geral, a Figura 1, ilustrada conforme as informações apresentadas em Provis (2013), procura exibir os materiais com caráter alcalino, em função da quantidade de três substâncias fundamentais de atuação no mundo inorgânico: o cálcio, o alumínio e os álcalis. Cada eixo corresponde a um elemento ou substância, quando considerado o crescimento do conteúdo.

 Figura 1: Tipos de materiais inorgânicos conforme o crescimento dos teores de Ca, Al e Álcalis

Dentro do objetivo de se caracterizar os materiais precursores, estes são considerados quanto ao teor de cálcio (Ca) em composição, distinguindo-se os que são ricos em Ca e pobres em Ca.
Os materiais que tem o Ca como elemento importante na formação de compostos cimentantes são: o cimento Portland e as escórias de alto-forno, enquanto que, os que tem baixo teor de Ca são representados pelos aluminossilicatos, metacaulim e cinzas volantes, os quais apresentam os produtos de neoformação construídos à base de SiO2 e de Al2O3.

Os compostos à base de Ca requerem menor energia de ativação, enquanto que, para o outro grupo, estes já requerem maior energia de ativação.

Quando se trata de materiais com baixos teores de Ca, estando o processo dependente da sílica e da alumina, ativados por uma base alcalina, pode se caracterizar a formação das estruturas denominadas por geopolímeros.

Os principais ativadores

Os principais ativadores alcalinos que têm sido utilizados são compostos à base de hidróxido de um metal tipo alcalino terroso, de modo geral à base de sódio ou de potássio. Ainda, pode ser incorporado o silicato de sódio, nSiO2Na2O, junto com o hidróxido sódio, sendo que, em associação, os efeitos são surpreendentes, pois eles podem atuar em sinergia.

Representação dos produtos resultantes do mundo alcalino

De modo a se obter a compreensão e a configuração dos materiais no mundo alcalino, apresenta-se as Figuras 2 e 3, ilustradas conforme as informações de Scriviner e Nonat (2011). Na Figura 2 são apresentados os tipos de materiais que podem ser representados, conforme as suas proporções entre a sílica, a alumina e a cal, e na Figura 3, são apresentados os tipos de produtos que são preferencialmente formados por estes insumos, após a hidratação.

 Figura 2: Materiais inorgânicos cimentíceos e precursores, conforme o teor de CaO, SiO2 e Al2O3
 Figura 3: Produtos formados após a hidratação, conforme o teor de CaO, SiO2 e Al2O3

Observa-se que os materiais alcalinamente ativados estão situados no gráfico em regiões diferentes com relação aos produtos do cimento Portland.

O elenco dos materiais ativados e do Portland, que são produzidos em meio alcalino podem ser compreendidos como:

-O cimento Portland:

Este é produzido a partir da calcinação de materiais calcáreos e argilosos, do que resulta em um material denominado por “Clínquer”. O clínquer, quando moído à finura do cimento, apresenta propriedades aglomerantes a partir da hidratação dos silicatos e dos aluminatos de cálcio, sendo os aluminatos os responsáveis principais pelo calor de hidratação, enquanto que, os silicatos são os responsáveis pela formação de uma estrutura gel que confere a resistência ao cimento.

O Quadro 1 apresenta, conforme informações de Neville (2016) os elementos químicos formadores, os óxidos formados, e os componentes do cimento Portland, dentro de uma sequência gradual, à partir dos elementos mais básicos aos compopnentes do Portland. Também se destaca a aos produtos formados após a hidratação.

Quadro 1: Elementos químicos, óxidos básicos e produtos finais do cimento Portland. 

Elementos constituintes

O2

Si

Ca

Al

Fe

Compostos óxidos

CaO

SiO2

Al2O3

F2O3

Componentes do cimento

C3S

C2S

C3A

C4AF

Cimento Portland

Vários tipos

Produtos da hidratação

Gel

Ca(OH)2

Fonte: Neville (2016)

Existem relaçãoes entre o teor de CaO e dos três óxidos principais, assim como entre estes óxidos, qua podem ser chamados de módulos.  Neste sentido têm-se:

O módulo hidráulico: MF= CaO/ [SiO2   + Al2O3   + F2O3 }

.O módulo sílica: MS= SiO2/[ Al2O3  +  F2O3

Módulo alumina-ferro: MAF= Al2O3/ F2O3

Basílio (1979) apresenta os limites inferiores e superiores para os respectivos módulos, no Quadro 2.

Quadro 2: Valores  inferiores e superiores para os módulos MF, MS e MAF 

 

Min

Max

MF

1,8

2,2

MS

1,7

3,1

MAF

1,2

3,2

Algumas observações importantes podem ser feitas com base nos valores dos Quadros 1 e 2:

-O cimento Portland é predominatemente cálcico..

-Seguido ao CaO, a sílica SiO2 ocupa a segunda posição.

-O óxido de ferro F2O3 está destinado sempre a apresentar o menor teor. 

Ao se observar os componentes ativos do Portland, e de maior responsabilidade, de pode inferir sobre a importância dos teores de cada óxido.

Os componentes ativos do cimento Portland são então 2CaO.SiO2; 3CaOSiO2; e 3CaO.Al2O3, e os produtos de reação são conhecidos por C-S-H, conforme a nomenclatura do Portland, representando o cálcio, a sílica e a água.

É sabido que da hidratação do cimento Portland é liberado o Ca(OH)2 como subproduto, a cal hidratada. A esta cal, existe a possibilidade de que ela seja fixada por algum tipo de pozolana, com a formação de produtos estáveis. Este produto pode ser considerado como C-S-H (gel).

-Cimento com escória:

A “Escória de Alto-Forno” é um subproduto do tratamento do minério de ferro em alto-forno para a produção do fero gusa. Devido a um resfriamento brusco, ela é obtida de modo granulada. Ela é composta basicamente de silicatos e alumino-silicatos de cálcio. Basílio (1979) considera que na escória de alto-forno são encontrados cristais de silicatos duplos de cálcio e de alumínio e de cálcio e magnésio, além dos silicatos monocálcicos e dicálcicos.

Existem algumas similaridades entre o clinquer de Portland e a escória de alto-forno. A escória, porém, apresenta propriedades hidráulicas latentes, mas o seu desempenho frente a hidratação é muito lento, quando comparado aos dos elementos ativos do cimento Portland; esta necessita de um ativador, de modo que sejam então despertadas as suas propriedades hidráulicas, e este ativador é um agente alcalino, representado normalmente pelo hidróxido de cálcio, ou pelo hidróxido de potássio. Cabe considerar que a escória não reage com o hidróxido de cálcio, visto que ela também apresenta a natureza alcalina; então, o papel do hidróxido de cálcio é o de ser um catalisador de reação.

Como forma de apresetar que as escórias são predominantementes cálcicas têm-se que as escórias que realmente tem poder de atuação como aglomerante são as que atendem às seguintes condições;

[(CaO+MgO)-1/3Al2O3] / [SiO2 + 2/3Al2O3 ] > 1

O “Cimento Portland de Alto-Forno” pode ser produzido a partir da moagem do clinquer de Portland e a escória granulada. A cal utilizada como ativador pode ser da que é liberada da hidratação do cimento Portland. Os produtos finais da escória após a pega são C-A-S-H.

-Pozolanas-As pozolanas são materiais silicosos ou sílico-aluminosos. A predominância da composição é a sílica (SiO2) e alumina (Al2O3), ambas tem a natureza ácida. Esta não tem atividade aglomerante em si mesma, mas, em função de sua finura e da sua composição, elas podem reagir com o hidróxido de cálcio, com a formação de componentes cimentantes, isto mesmo quando imersos, e os compostos formados são capazes de resistir à ação de dissolução da água. As pozolanas tiveram origem e aplicação no meio técnico pelos romanos, quando, na sua utilização junto com as argamassas de cal, permitiram a criação de argamassas com propriedades hidráulicas.

De modo geral, o conceito de “atividade pozolânica” se estende a todos os materiais inorgânicos que gozam das mesmas propriedades que as cinzas encontradas pelos romanos, tais como hoje temos o metacaulim, as cinzas volantes e a sílica ativa, quando são fixados pela cal na formação de compostos estáveis. Considera-se que a atuação da pozolana se dá em meio alcalino, de modo que os componentes minerais possam ser solubilizados, sendo a cal o agente alcalino. Este é um caso clássico da estabilização de solos com cal.

-Caso do caulim, metacaulim e das cinzas volantes: Estes materiais têm sido enquadrados como´ pozolanas, mas aqui o conceito de pozolana está relacionado ao mecanismo de atuação, merecem consideração especial quando se considera a ativação alcalina pelo hidróxido de sódio ou de potássio. Para o caso da ativação do metacaulim considera-se que este é pobre em CaO, e rico em alumina e sílica, e os produtos formados se diferenciam dos anteriores, os quais tinham o CaO como referência na formação. Os produtos formados são à base da sílica e da alumina, ganhando o cátion do metal “M” do hidróxido M+OH, de modo que este tenha lugar por meio de substituição isomórfica, de modo que os produtos formados sejam representados por N-A-S-H.

Comparação da eficácia dos materiais inorgânicos quanto à hidraulicidade 

Neville (2016) apresenta na Quadro 3 um elenco de materiais cimentíceos e de adições, os quais se utiliza para produzir aglomerantes composto, e o comportamento destes materiais com relação à hidraulicidade por si mesmos ou quando em atuação com o cimento Portland.

Quadro 3: Características cimentíceas de materiais adicionados ao aglomerante compostos

Material

Característica cimentícea

Clinquer de cimento Portland

Totalmente hidráulico

Escória granulada de alto-forno

Hidraulicidade latente, ou em alguns casos sem hidraulicidade

Pozolana natural (Classe N)

Hidraulicidade latente com o cimento Portland

Cinza volante silicosa( Classe F)

Hidraulicidade latente com o cimento Portland

Cinza volante com elevado teor de caláreo (Classe C)

Hidraulicidade latente com o cimento Portland

Sílica ativa

Ação física, em grande parte, e Hidraulicidade latente com o cimento Portland

Filer calcáreo

Ação física, em grande parte, e com leve hidraulicidade latente com o cimento Portland.

Outros fílere

Somente inertes, somente ação física.

Fonte: Neville(2016)

Uma observação importante é que, conforme as variações sobre os princípios ativos do cimento, e os mecanismos de atuação, pode-se conhecer as relações para com o clínquer e para com os diversos tipos adições ativas, como a escória e a pozolana,  Incorporações são diferentes, o clinquer é o mesmo, e os processos são diferentes. 

Os aluminossilicatos com ativação alcalina constituem em um outro escopo do estudo.


Os mecanismos da ativação alcalina

Os mecanismos da ativação alcalina ainda estão em fase de discussão, mas, de modo geral eles são compreendidos de forma unânime conforme alguns estágios.

O primeiro estágio e o ponto de partida do processo é um ataque alcalino, do qual resulta a dissolução do material, com a disponibilização de elementos e substâncias minerais, como a sílica e a alumina. Junto com a solução, se considera também os cátions das bases. São destacadas, dentro do processo de dissolução, as rupturas das ligações Si-O-Si e Al-O-Al com a posterior formação de oligômeros, a base de silicatos e aluminatos.

Estes produtos iniciais de formação podem estar sujeitos à formações estruturais.

Para o entendimento da formação estrutural do aluminossilicato de neo-formação cabe considerar sob como as formas das unidades são definidas.

 Da química e da mineralogia se conhece que o silício pode possuir uma estrutura tetraédrica, a partir de hibridação, de modo a poder formar 4 ligações simples com elementos do meio, dentre os quais, o oxigênio (Figura 3). Em particular, o silício pode-se conectar com outra estrutura do silício, por meio da conexão do oxigênio, como ponte; e desta forma, ele pode formar estruturas espaciais em forma de lâminas.
 Figura 3: Estrutura do Silício em sua forma tetraédrica

O alumínio pode apresentar tanto a estrutura octaedral, normalmente com 3 íons OH- nos vértices, e também a forma tetraédrica, similar à do silício, mas com valência 3+. Em face então das semelhanças na morfologia, o alumínio pode ocupar o lugar do silício na estrutura, quando da formação da estrutura espacial, conforme a Figura 4.

 Figura 4: Associação entre Alumínio e silício na formação de estrutura

De acordo com Davidovits (1987), as estruturas de Polissialato são compostas por ânions tetraédricos, [SiO4 ]4- e [AlO4]3, com o compartilhamento de vértices, formando unidades básicas.
Conforme o ordenamento, Davidovits (1987) sugeriu que estas unidades podem ser tomadas dentro de algumas condições, como as seguintes:
(-Si-O-Al-O-)
(-Si-O-Al-O-Si-O-)
(Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-)

Diante da deficiência de cargas percebidas na estrutura, em particular entre a sílica e o alumínio, esta vem a ser suprida pelo íon metálico M+ do hidróxido. O cátion metálico assume papéis em dois momentos diferentes: quando no momento da ativação e quebra de ligações, e quando no balanceamento de cargas finais.

Nos estágios seguintes estes produtos tendem a se coagular, formar gel, e se condensarem, com posterior cristalização a nível tridimensional. Os processos se dão de forma muito rápida e com fases simultâneas, mas a literatura divide o processo nas seguintes fases e ordens:
-dissolução;
-coagulação e formação de gel;
-condensação;
-cristalização.

Duxson et al, (2006) descrevem os mecanismos apontando para a sequência a gradativa saída de água do sistema com a formação de gel, a reorganização e o endurecimento.

Sobre o caráter de ser espontâneo o processo, e ainda buscando conhecer os mecanismos da ativação, Alonso e Palomo (2001) realizaram um estudo de calorimetria durante um processo de ativação do metacaulim com o hidróxido de sódio, e identificaram picos de liberação de calor, os quais correspondem às fases de dissolução seguidos de picos diferenciados correspondentes à suposta reorganização dos materiais. O picos representavam um processo eminentemente exotérmico, e sendo a cinética química variável conforme o teor de ativador.

De um modo geral, a literatura apresenta de modo genérico a composição do geopolímero como a dada por Davidovits (1979):

 Mn{-(SiO2)z-AlO2}n, wH20


Onde M é o cation alcalino, n é o grau de policondensação, z é um número de 1 a 3 distinguindo-se o tipo de polissialato.

As principais relações entre os constituintes como parâmetros de controle da qualidade

O parâmetro: SiO2/Al2O3 :
Este parâmetro normalmente tem sido apresentado pela literatura como que relacionado à questão da porosidade do material e da resistência mecânica. Os valores adequados para a relação dependem do tipo de precursor utilizado assim como do tipo de ativador. De acordo com Duxson et al (2005) esta relação, quando considerada para o caso da utilização de metacaulim como precursor e de hidróxido de sódio como ativador, mostrou que: quando abaixo de 1,4, faz com que os materiais se apesentem muito porosos, e, esta relação deve ser preferencialmente superior à 1,65. Provis e Van Deventer (2007) consideram que a quantidade de Al disponível é responsável pela cinética de reação, enquanto que a relação “sílica/alumina” é responsável pela resistência mecânica alcançada pelo material.

O parâmetro: Na2O/SiO2
Já o parâmetro Na2O/SiO2 por sua vez, é importante por indicar a razão entre as quantidades oferecidas pelo ativador e polo precursor. Esta relação é a que define o grau de polimerização do geopolímero (FERNANDEZ-JIMENEZ e PALOMO, 2009). Também está inserida no contexto de formar materiais mais resistentes. Os valores mínimos e ótimos para esta relação estão também na dependência do tipo e origem do precursor, assim como do tipo do ativador. Os valores desta relação costumam estar abaixo de 1.

O parâmetro Na2O/Al2O3.:
Da mesma forma que para o caso da sílica, é importante também o valor da relação Na2O/Al2O3. Neste caso, o parâmetro ganha importância com relação à energia de ativação para o desenvolvimento do processo. Referências indicam que o valor ótimo é da ordem de 1.

Cabe considerar que os óxidos e cátions envolvidos nos parâmetros apresentados podem vir tanto dos precursores como do ativadores, quando no caso de se utilizar também o silicato de sódio conjuntamente.

Ainda, como já mencionado, a relação Ca/Si é importante, no sentido de se distinguir os de baixo ou alto teor de cálcio.

A tecnologia aplicada aos cimentos ativados

Os cimentos ativados alcalinamente têm êxito a partir de um bom processo de dosagem e cura, escolhendo os parâmetros adequados. Já começa com um bom processo de seleção e de tratamento da matéria-prima.

Com relação ao processo de cura é recomendado o uso da temperatura como forma de melhor desenvolvimento das reações químicas.

A água tem importância maior quando na fase da trabalhabilidade das misturas, sendo que, o excesso de água pode vir a prejudicar a resistência do material.

Referências de apoio

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