FABRICAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITO DE … · Agradeço a Deus pela dádiva da vida e por...

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

Carlos Augusto da Silva

FABRICAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITO DE MATRIZ GEOPOLIMÉRICA A BASE DE METACAULIM COM

INCORPORAÇÃO DE ARGILA EXPANDIDA COMO FASE DISPERSA

São João Del Rei, 2016

Carlos Augusto da Silva

FABRICAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITO DE MATRIZ GEOPOLIMÉRICA A BASE DE METACAULIM COM

INCORPORAÇÃO DE ARGILA EXPANDIDA COMO FASE DISPERSA

São João Del Rei, 2016

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de São João del-Rei, como requisito para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica

Área de Concentração: Materiais e Processos de Fabricação

Orientador: Prof. Dr. Kurt Strecker

Dedico este a trabalho à minha querida mãe Ana Maria e aos meus avós Antônio

Abel e Efigênia Rosa.

Agradecimentos

Agradeço a Deus pela dádiva da vida e por me conceder todas as ferramentas

que preciso para conquistar os meus objetivos.

Agradeço a aqueles que me conceberam a vida, e a todos os meus

antepassados. Graças a eles estou aqui hoje.

Aos amigos-irmãos que sempre estiveram do meu lado desde o início da minha

jornada: Alexandre Moronari, Darlan Rezende, Fernando Nandes, Jean Ciarallo,

Jordana Rezende, Harrison Bezerra, Leonardo Leite, Luciene Braga, Rafael Moura.

Aos amigos que ganhei durante o mestrado: Fábio Rosa, Guilherme Germano,

Kaio Lima, Ricardo Ferraz, Maria Fernanda. Obrigado pela cumplicidade e

contribuições neste trabalho.

Ao Prof. Dr. Kurt Strecker por sempre acreditar no meu potencial e por todo

suporte nos momentos decisivos no mestrado e em minha vida.

Ao Prof. Dr. Túlio Hallak Panzera, Prof. Dr. Carlos Thomas e o Doutorando

Adriano Galvão pelas contribuições neste trabalho e serem exemplos de

pesquisadores.

Aos amigos do Centro de Inovação e Tecnologia em Compósitos - CITeC, por

toda ajuda e experiências trocadas.

Ao Alexandre Einstein e Luisymari Moreira pelo suporte dado na fabricação e

caracterização dos compósitos.

A todos que compõem o Programa de Pós-Graduação em Engenharia

Mecânica (PPMEC) e contribuíram para esse trabalho: Prof. Dr. Alexandre Carlos

Eduardo, Prof. Dr. Márcio Eduardo Silveira, Prof.ª Dr.ª Vânia Regina Velloso, Prof.

Dr. Frederico Ozanan, Prof.ª Dr.ª Roseli Marins Balestra, Prof. Dr. Artur Mariano de

Sousa Malafaia, Prof. Dr. Lincoln Cardoso e àquelas que sempre nos deram todo o

suporte necessário Mônica e Claudete.

As empresas CINEXPAN, Metacaulim do Brasil e DIATOM Mineração por

fornecerem os materiais essenciais para este trabalho.

Em suma, agradeço a todos que me apoiaram e sempre torceram por mim.

“Não sou obrigado a vencer, mas tenho o dever de ser verdadeiro. Não sou obrigado a ter sucesso, mas tenho o dever de corresponder à luz que tenho.”

Abraham Lincoln

Resumo

Um dos materiais cimentícios mais utilizados no mundo é o concreto devido à sua

boa trabalhabilidade, baixo preço e alta disponibilidade. No entanto, a fabricação de

grandes quantidades de concreto implicam na liberação de gases nocivos ao meio

ambiente como CO2, SO3 e NOx. Outra característica negativa do concreto é sua alta

densidade, a qual aumenta a carga morta de suas estruturas. O desenvolvimento de

materiais cimentícios alternativos na indústria da construção civil tem crescido

devido a essas desvantagens. Um desses materiais é o geopolímero, que pode ser

definido como um polímero inorgânico a base de minerais alumino-silicatos,

constituído de tetraedros de SiO4 e AlO4, conectados alternadamente pelo

compartilhamento de átomos de oxigênio resultante de uma reação química

chamada polimerização, que acontece em meio altamente alcalino. O presente

trabalho investigou um compósito de baixo peso composto por uma matriz

geopolimérica e argila expandida como fase dispersa. Foi avaliado o efeito dos

fatores, fração mássica de argila expandida (0, 20, 40 e 60%), tamanho da argila

expandida (2,00 a 4,75 mm e 6,35 a 15 mm) e concentração molar da solução de

NaOH (8 e 12 mols/litros), nas propriedades físico-mecânicas dos compósitos. Uma

análise microestrutural foi conduzida para melhor avaliar o processo de

geopolimerização durante o tempo de 28 dias. O teor de argila expandida afetou

todas as variáveis respostas proporcionando uma significativa variação percentual

entre os níveis experiementais. Os ensaios de difração de raios x e espectroscopia

de infravermelho confirmaram a presença da reação de geopolimerização.

Palavras-chaves: Geopolímero, argila expandida, metacaulim, compósito

particulado.

Abstract

One of the most used cementitious materials worldwide is the concrete due its good

workability, low price and high availability. However, the fabrication of massive

concrete released an amount of noxious gases to the environment such as CO2,

SO3, and NOx. Another negative characteristics of concrete is its high density, which

increases the dead load of their structures. The development of alternative

cementitious materials in civil construction industry has grown due these

disadvantages. One of these materials is geopolymer which is an inorganic polymer

based on silicon-aluminous minerals, consisted of SiO4 and AlO4 tetrahedral,

alternately connected by sharing oxygen atoms resulting from a chemical reaction

called geopolymerization, which occurs in highly alkaline medium. This work

investigates a lightweight composite consisting of geopolymer matrix and expanded

clay inclusions. The effect of the factors, expanded clay content (0, 20, 40 and 60

wt%), expanded clay size (2,00 a 4,75 mm and 6,35 a 15 mm) and molar

concentration of NaOH solution (8 and 12 mol/liter), on the physical-mechanical

properties were evaluated. A microstructural analysis was conducted to better assess

the geopolymerization process during the curing time of 28 days. The expanded clay

content affected all responses, providing a significant percent variation between the

experimental levels. The X-ray diffraction and infrared spectroscopy tests revealed

the presence of geopolymerization reactions.

Keywords: Geopolymer, expanded clay, metakaolin, particulate composite

Lista de Figuras

Figura 2.1 - Fases de um material compósito (Fonte: Adaptado de Daniel e Ishai

(1994)) ......................................................................................................................... 4

Figura 2.2 - Esquema de classificação de compósitos segundo Callister (2014) ........ 6

Figura 2.3 - Classificação dos materiais compósitos segundo Daniel e Ishai (1994). . 7

Figura 2.4 - Classificação dos materiais compósitos segundo Agarwal (1990 apud

LIMA JÚNIOR, 2007). ................................................................................................. 8

Figura 2.5 - Estruturas básicas dos polisialatos. Fonte: Adaptado de (DAVIDOVITS,

2005). ........................................................................................................................ 13

Figura 2.6 - Modelo sugerido por Glukhovsky - a) Material precursor em contato com

o meio alcalino, b) quebra das ligações covalentes Si-O-Si e Al-O-Si, c) coagulação,

d) condensação. Fonte: Adaptado de (SEVERO et al., 2013) .................................. 14

Figura 2.7 - Reação de Geopolimerização. Fonte: Adaptado de (WALLAH et

al.,2006) .................................................................................................................... 15

Figura 2.8 - Viscosidade de soluções de hidróxidos alcalinos como função da

molaridade. Fonte: Adapatado de (PROVIS, 2009) .................................................. 16

Figura 2.9 - Amostra de caulim. Fonte: (RASHAD, 2013) ......................................... 19

Figura 2.10 - (a) Argila expandida fabricada por sinterização, (b) Argila Expandida

fabricada em forno rotativo. Fonte: Adaptado de (ZHANG e GJORV, 1991) ............ 23

Figura 2.11 - Fluxograma do processo de produção de argila expandida em forno

rotativo. Fonte: (SOUZA SANTOS apud CABRAL, 2005, p. 57). .............................. 26

Figura 2.12 - Argilas expandidas produzidas pela CINEXPAN: (a) de 22 a 32 mm, (b)

de15 a 22 mm, (c) de 6 a 15 mm, (d) menores que 5 mm, (e) menores que 2,5 mm e

(f) argilas expandidas no interior de um forno rotativo. Fonte:

(http://www.cinexpan.com.br/index.html) ................................................................... 27

Figura 2.13 - Média da Resistência à Compressão dos corpos de prova capeados e

não capeados. Fonte: Adaptado de (YAZICI e SEZER, 2007) .................................. 28

Figura 2.14 - Efeito do tamanho na resistência à compressão. Fonte: Adaptado de

Viso et al. (2008) ....................................................................................................... 29

Figura 3.1 – Argilas expandidas: tipo A – 2,00 a 4,75 mm; tipo B – 6,35 a 15 mm ... 37

Figura 3.2 – Misturador de argamassa. ..................................................................... 38

Figura 3.3 – Retificadora horizontal de corpos de prova. .......................................... 40

Figura 3.4 – Prensa Hidráulica modelo PC100C ....................................................... 41

Figura 3.5 – Medição da velocidade de ultrassom de um corpo de prova. ............... 42

Figura 3.6 – Câmara de vácuo e bomba de vácuo. ................................................... 43

Figura 3.7 – Microscópio eletrônico de varredura – Hitachi – TM 3000 .................... 47

Figura 4. 1 - Gráfico de probabilidade normal de resíduos para a medida da

resistência à compressão, corpos de prova de Ø 5 cm x 10 cm. .............................. 50

Figura 4. 2 - Efeito da fração de argila expandida na média da resistência à

compressão dos compósitos. .................................................................................... 51

Figura 4. 3 – Média da resistência à compressão dos corpos de prova de Ø 5 cm x

10 cm. ....................................................................................................................... 51


resistência à compressão, corpos de prova de Ø 7,5 cm x 15 cm. ........................... 52

Figura 4. 5 – Média da resistência à compressão dos corpos de prova de Ø 7,5 cm x

15 cm. ....................................................................................................................... 53


resistência específica, corpos de prova de Ø 5 cm x 10 cm...................................... 54

Figura 4. 7 - Efeito da fração de argila expandida na média da resistência específica

dos compósitos. ........................................................................................................ 54

Figura 4. 8 – Média da resistência específica dos corpos de prova de Ø 5 cm x 10

cm. ............................................................................................................................ 55


resistência específica, corpos de prova de Ø 7,5 cm x 15 cm. .................................. 56

Figura 4. 10 - Média da resistência específica dos corpos de prova de Ø 7,5 cm x 15

cm. ............................................................................................................................ 56


velocidade de pulso ultrassônico ............................................................................... 57

Figura 4. 12 - Efeito da interação “fração mássica argila expandida - tamanho da

argila expandida - concentração molar de NaOH” sobre a média da Velocidade de

Pulso Ultrassônico. .................................................................................................... 58

Figura 4. 13 - Correlação entre velocidade de pulso ultrassônico e densidade

volumétrica. ............................................................................................................... 59


densidade volumétrica .............................................................................................. 60

Figura 4. 15 - Efeito da fração de argila expandida na média da densidade

volumétrica dos compósitos. ..................................................................................... 60

Figura 4. 16 - Efeito da concentração molar de NaOH na média da densidade



densidade volumétrica. (volume calculado geometricamente) .................................. 62


volumétrica dos compósitos. (volume calculado geometricamente) .......................... 62


volumétrica dos compósitos. (volume calculado geometricamente) .......................... 63


densidade aparente ................................................................................................... 64



Figura 4. 22 – (a) Média da porosidade de todas as condições; (b) Média da

Absorção de água de todas as condições. ................................................................ 65

Figura 4. 23 - Espectroscopia de infravermelho do metacaulim e das condições com

matrizes geopoliméricas feitas com solução de NaOH 12 mols. ............................... 66


matrizes geopoliméricas feitas com solução de NaOH 8 mols. ................................. 67

Figura 4. 25 - Espectroscopia de raios X do metacaulim e das condições feitas com

solução de NaOH 8 mols. (Md = Muscovita, Q = Quartzo e HS = Hidroxisodalita). .. 68


solução de NaOH 12 mols. (Md = Muscovita, Q = Quartzo e HS = Hidroxisodalita). 68

Figura 4. 27 - Microscopia Eletrônica de Varredura: (a) C1 aumento 500x, (b) C1

aumento 1000x, (c) C3 aumento 500x, (d) C3 aumento 1000x. ................................ 69




aumento 1000x, (c) C11 aumento 500x, (d) C11 aumento 1000x. ............................ 70











Figura 4. 35 - Porcentagem atômica superficial das matrizes geopoliméricas: (a)

Condições com solução NaOH 8 mols (b) Condições com solução NaOH 12 mols . 74

Figura 4. 36 - Razão Na/Al e Si/Al: (a) Condições com solução NaOH 8 mols (b)

Condições com solução NaOH 12 mols .................................................................... 74

Lista de Tabelas

Tabela 3.1 - Constituição Química do Metacaulim (% em massa). ........................... 31

Tabela 3.2 - Fatores e níveis do experimento. .......................................................... 33

Tabela 3.3 - Condições experimentais, planejamento fatorial completo (4¹2²). ......... 33

Tabela 3.4 - Fatores e níveis do experimento, corpos de prova de Ø 5 cm x 10 cm. 34

Tabela 3.5 - Condições experimentais, planejamento fatorial completo (4¹21). Corpos

de prova de Ø 5 cm x 10 cm. .................................................................................... 35

Tabela 3.6 - Fatores e níveis do experimento, corpos de prova de Ø 7,5 cm x 15 cm.

.................................................................................................................................. 35


de prova de Ø 7,5 cm x 15 cm. ................................................................................. 36

Tabela 3.8 - Composição de todas as condições estudadas. ................................... 39

Tabela 4.1 - Análise de Variância (ANOVA). ............................................................. 48

Tabela 4.2 - Análise de Variância (ANOVA). ............................................................. 49

Lista de Equações

Equação 3.1 - Velocidade do Pulso Ultrassônico.......................................................60

Equação 3.2 - Densidade Volumétrica.......................................................................61

Equação 3.3 - Volume dos corpos de prova - Princípio de Archimedes....................61

Equação 3.4 - Volume dos corpos de prova - calculado geometricamente...............62

Equação 3.5 - Densidade Aparente...........................................................................62

Equação 3.6 - Volume da parte impermeável dos corpos de prova..........................63

Equação 3.7 - Porosidade Aparente..........................................................................63

Equação 3.7 - Porosidade Aparente..........................................................................63

Equação 3.8 - Volume dos poros abertos..................................................................63

Equação 3.9 - Absorção de água...............................................................................64

Listas de Abreviaturas e Símbolos

Al – alumínio

Si – silício

O – oxigênio

H – hidrogênio

Na – sódio

K – potássio

Ti – titânio

Ca – cálcio

Mg – magnésio

S – enxofre

Br - bromo

Sumário

INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 1

1.1 Comentários gerais ............................................................................................... 1

1.3 Objetivos gerais ..................................................................................................... 2

1.3.1 Objetivos específicos ......................................................................................... 2

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................................ 4

2.1 Materiais compósitos ............................................................................................. 4

2.1.1 Classificação e tipos de materiais compósitos ................................................... 5

2.1.2 Compósitos de matriz cerâmica ......................................................................... 8

2.1.2 Compósitos particulados .................................................................................... 9

2.2 Geopolímeros ...................................................................................................... 10

2.2.1 Geopolimerização – Mecanismos de reação .................................................... 13

2.2.2 Ativadores alcalinos ......................................................................................... 15

2.3 Metacaulim .......................................................................................................... 17

2.3.1 Matérias-primas para a fabricação de metacaulim ........................................... 18

2.3.1.1 Caulim ........................................................................................................... 18

2.3.1.2 Lamas residuais da indústria de papel reciclado ........................................... 20

2.4 Argila expandida .................................................................................................. 21

2.4.1 Processos de fabricação da argila expandida .................................................. 21

2.4.1.1 Sinterização ................................................................................................... 21

2.4.1.2 Fornos rotativos ............................................................................................. 22

2.4.2 Fabricação da argila expandida no Brasil ......................................................... 25

2.5 Efeito do tamanho do corpo de prova na resistência à compressão ................... 27

MATERIAIS E MÉTODOS ......................................................................................... 31

3.1 Materiais .............................................................................................................. 31

3.2 Metodologia ......................................................................................................... 31

3.2.1 Seleção das variáveis respostas ...................................................................... 32

3.2.2 Escolha dos fatores experimentais e seus níveis ............................................. 32

3.3 Fabricação dos corpos de prova. ........................................................................ 36

3.4 Caracterizações dos compósitos. ........................................................................ 40

3.4.1 Resistência à compressão. .............................................................................. 40

3.4.2 Velocidade de pulso ultrassônico. .................................................................... 41

3.4.3 Densidade volumétrica, densidade aparente, porosidade aparente e absorção

de agua. .................................................................................................................... 42

3.4.3.1 Densidade volumétrica. ................................................................................. 43

3.4.3.2 Densidade aparente ...................................................................................... 44

3.4.3.3 Porosidade aparente ..................................................................................... 45

3.4.3.4 Absorção de água ......................................................................................... 45

3.4.4 Difração de raios X. .......................................................................................... 46

3.4.5 Espectroscopia de infravermelho ..................................................................... 46

3.4.6 Análise microestrutural ..................................................................................... 46

3.5 Análise estatística ............................................................................................... 47

RESULTADOS E DISCUSSÕES .............................................................................. 48

4.1 Propriedades mecânicas ..................................................................................... 49

4.1.1 Resistência à compressão ............................................................................... 49

4.1.1.1 Resistência à compressão, corpos de prova de Ø 5 cm x 10 cm .................. 50

4.1.1.2 Resistência à compressão, corpos de prova de Ø 7,5 cm x 15 cm ............... 52

4.1.2 Resistência específica ...................................................................................... 53

4.1.2.1 Resistência específica, corpos de prova de Ø 5 cm x 10 cm ........................ 53

4.1.2.2 Resistência específica, corpos de prova de Ø 7,5 cm x 15 cm ..................... 55

4.1.3 Velocidade de pulso ultrassônico ..................................................................... 56

4.1.4 Densidade volumétrica ..................................................................................... 59

4.1.4.1 Densidade volumétrica – Volume calculado pelo método de Archimedes .... 59

4.1.4.2 Densidade Volumétrica – Volume calculado geometricamente ..................... 61

4.1.5 Densidade Aparente ......................................................................................... 63

4.1.6 Porosidade e absorção de água ....................................................................... 65

4.2 Espectroscopia de infravermelho ........................................................................ 65

4.3 Difração de raios X .............................................................................................. 67

4.4 Análise microestrutural ........................................................................................ 69

CONCLUSÕES ......................................................................................................... 75

Referências ............................................................................................................... 76

1

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

1.1 Comentários gerais

Os materiais cimentícios, principalmente o cimento Portland utilizado em

concretos, são os mais bem sucedidos em todo mundo. O motivo desta grande

utilização é devido a diversos fatores como: boa trabalhabilidade do material no

estado frescco, baixo custo e disponibilidade de matérias-primas (SCRIVENER e

KIRKPATRICK, 2008). O cimento Portland, matéria-prima na fabricação de

concretos, é o principal material cimentício utilizado na construção em todo o mundo.

Cerca de 12 bilhões de toneladas de concreto são produzidas por ano utilizando

aproximadamente 1,6 bilhões de toneladas de cimento Portland em todo o mundo

(MALHOTRA e MEHTA, 2002).

No entanto, apesar da produção do cimento causar um menor impacto

ambiental do que a maioria dos materiais de construção alternativos, os enormes

volumes de cimento e concreto produzidos implicam em cerca de 5 a 8% das

emissões de CO2 (SCRIVENER e KIRKPATRICK, 2008). De fato, com a fabricação

de uma tonelada de cimento cerca de 0,8 toneladas de CO2 são lançados na

atmosfera (RASHAD e ZEEDAN, 2011). E não somente CO2 é liberado pela

fabricação do cimento, mas também SO3 e NOx, causadores do efeito estufa e chuva

ácida (PARK e KANG, 2008). Há também um grande consumo de energia e

matérias primas (calcário e areia), pois para produzir uma tonelada de cimento

Portland são necessárias cerca de 1,5 toneladas de matéria-prima e são gastos por

volta de 1700 – 1800 megajoules para produzir uma tonelada de clínquer (RASHAD

e ZEEDAN 2011).

Devido a todos esses fatores a busca por materiais cimentícios alternativos de

menor impacto ambiental vem crescendo ao longo dos anos. Os materiais ativados

alcalinamente mostram-se promissores nesse aspecto. Uma grande variedade de

nomes é utilizada para se referir aos materiais ativados alcalinamente, como por

exemplo: cimento ativado alcalinamente, geopolímeros, cerâmica alcalina,

geocimento, concreto de polímero inorgânico (SEVERO et al., 2013). O investimento

no desenvolvimento desses materiais é crescente devido à sua elevada resistência

2

mecânica, durabilidade, baixa retração, cura rápida, resistência a ácidos, resistência

ao fogo e baixa condutividade térmica (PELISSER et al., 2013).

A busca por materiais de alta resistência específica, ou seja, elevada relação

resistência/densidade é cada vez maior no ramo da indústria da construção civil

devido à necessidade da redução da carga morta nas estruturas. A densidade

destes materiais pode ser reduzida pela substituição de partes do sólido por volumes

vazios ou agregados leves. De acordo com a norma britânica BS EN 13055-1 (2002)

agregados leves são aqueles cuja densidade volumétrica máxima não exceda 2000

kg/m3 ou que a densidade aparente seja menor que 1200 kg/m3. Eles geralmente

consistem de agregados naturais (por exemplo, tufo), ou então são obtidos a partir

de recursos naturais (vermiculita, perlita, argila expandida) ou a partir de resíduos

industriais (vários tipos de lama, cinzas e resíduos de vidro) (DUCMAN; MIRTIC,

2014). A argila expandida se mostra como um excelente agregado leve com

densidade aparente variando de 300 a 900 kg/m³, dependendo do método de

fabricação que pode ser: processo de sinterização contínua ou em forno rotativo.

1.3 Objetivos gerais Esta pesquisa teve como objetivos principais investigar o efeito da

incorporação de argila expandida como fase dispersa em compósitos de matriz

geopolimérica a base de metacaulim e o efeito da concentração molar de NaOH do

ativador alcalino através de uma metodologia de planejamento fatorial de

experimentos.

1.3.1 Objetivos específicos

Investigar os efeitos do teor de argila expandida adicionada (0, 20, 40 e 60%

em massa) em relação ao metacaulim, do tamanho da argila expandida (2,00 mm a

4,75 mm e 6,35mm a 15 mm) e da concentração molar de NaOH (8 e 12 mol/litro) na

solução alcalina ativadora nas propriedades físico-mecânicas dos compósitos

fabricados. Foram analisadas também as modificações estruturais sofridas pelos

materiais de partida, antes e após a sua ativação alcalina, o comportamento

mecânico das diferentes amostras e a consequente correlação entre as

3

modificações microestruturais e morfológicas ocorridas durante o tempo de cura (28

dias) das amostras.

4

CAPÍTULO 2

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Este capítulo apresenta uma breve revisão bibliográfica sobre os principais

tópicos que foram abordados no trabalho.

2.1 Materiais compósitos

Daniel e Ishai (1994) definem compósitos como um sistema material

constituído de duas ou mais fases em escala macroscópica com propriedades e

desempenho superiores a dos seus constituintes analisados independentemente.

Geralmente uma das fases é descontinua, mais resistente e forte; ela é chamada de

reforçador ou fase dispersa; enquanto que a fase menos resistente e mais fraca é

contínua e chamada de matriz. Dependendo dos materiais que constituem o

compósito e de suas interações, uma fase adicional chamada interface é criada

entre o reforço e a matriz como pode ser observado na Figura 2.1.

Figura 2.1 - Fases de um material compósito (Fonte: Adaptado de Daniel e Ishai

(1994))

Além das definições já citadas, Daniel e Ishai (1994) definiram outros critérios

para que o material possa ser classificado como um compósito: ambas as fases

5

devem estar presentes em proporções mínimas de 5% e tanto a matriz, quanto a

fase dispersa devem ter propriedades diferentes.

Segundo Kaw (2006), compósito é definido como um material estrutural

composto por dois ou mais constituintes combinados em um nível macroscópico e

não são solúveis entre si, onde um dos constituintes é chamado de fase reforço, o

qual se apresenta geralmente em forma de fibras, partículas ou flocos e o outro,

onde este é disperso, é chamado de matriz, fase geralmente contínua. Já Callister

(2014) define um compósito como sendo qualquer material multifásico que exiba

expressivamente as propriedades das fases constituintes, tal que a resultante seja

superior a estas.

Redigir uma definição que abranja todos os tipos de compósitos é

extremamente difícil devido a grande quantidade de combinações possíveis entre

materiais de diferentes classes (metais, cerâmicas, polímeros). O compósito

estudado neste trabalho, por exemplo, apresenta fase dispersa menos resistente

que a matriz, característica que vai contra a definição dada por Daniel e Ishai (1994).

Segundo Panzera (2012), o compósito não necessariamente deve ter todas

suas propriedades superiores à dos seus constituintes, pois outras características de

desempenho podem ser solicitadas como: propriedades elétricas, térmicas, ópticas,

químicas, magnéticas, físicas e mecânicas. Os compósitos devem ser projetados

para uma determinada finalidade, a fim de maximizar determinado desempenho.

Portando, compósito é um material feito a partir da combinação de duas ou

mais fases com distintas propriedades, sem que haja reação química entre as fases,

com o objetivo de formar um novo material com no mínimo uma propriedade superior

a dos seus componentes, mesmo havendo detrimento de outras (PANZERA, 2014).

2.1.1 Classificação e tipos de materiais compósitos

Alguns pesquisadores classificam os compósitos quanto a sua forma,

processo, tipo de matriz, tipo de reforço, dentre outros critérios. Portanto há uma

considerável gama de classes diferentes (LIMA JÚNIOR, 2007).

Segundo Jones (1999) existem quatro tipos de materiais compósitos

comumente aceitos:

1) Material compósito fibroso constituído por fibras em uma matriz;

2) Material compósito laminado formado por várias camadas de materiais;

6

3) Material compósito particulado composto por partículas em uma matriz;

4) Combinação de alguns ou todos três tipos citados acima.

Callister (2014) divide os materiais compósitos em três grupos principais e suas

subdivisões quanto ao tipo de matriz e ao tipo da fase dispersa. A Figura 2.2 exibe

está classificação.

Figura 2.2 - Esquema de classificação de compósitos segundo Callister (2014)

Daniel e Ishai (1994) classificaram compósitos constituídos por duas fases em

três amplas categorias dependendo do tipo, geometria e orientação da fase reforço.

São elas:

1) Compósitos particulados: Consiste de partículas de vários tamanhos e

formatos inseridas aleatoriamente em uma matriz.

2) Compósitos com fibras descontínuas ou Whiskers: contém fibras curtas,

também chamadas whiskers, como fase reforçadora.

3) Compósitos com fibras contínuas: são reforçados por longas fibras e são

mais eficientes do ponto de vista de rigidez e força. As fibras contínuas podem

ser todas paralelas entre sim (unidirecional), orientadas em certos ângulos

umas com as outras (crossply) e podem ser orientadas em variadas direções

(multidirecional).

Essa classificação é exibida na Figura 2.3.

7

Figura 2.3 - Classificação dos materiais compósitos segundo Daniel e Ishai (1994).

Agarwal (1990 apud LIMA JÚNIOR, 2007) classificou os materiais compósitos

de acordo com o mecanismo de reforço, que depende fortemente da geometria do

mesmo. Dessa forma o autor agrupou convenientemente os compósitos em dois

grandes grupos, partícula e fibra, e seus respectivos subgrupos, com diferentes

mecanismos de reforço. Uma partícula pode ser cúbica, esférica, tetragonal,

escamada ou possuir qualquer outra forma regular ou irregular, sendo que será

sempre possível fazer a aproximação dessas formas por abstrações matemáticas,

que se aproximam das formas citadas acima. Já a fibra é classificada pelo seu

8

comprimento ser muito maior que sua largura. Na Figura 2.4 é possível observar a

classificação feita por Agarwal.

Figura 2.4 - Classificação dos materiais compósitos segundo Agarwal (1990 apud

LIMA JÚNIOR, 2007).

Devido ao tema do presente trabalho será dado enfoque em matrizes

cerâmicas e compósitos particulados.

2.1.2 Compósitos de matriz cerâmica

Materiais cerâmicos tem como características principais resistência à oxidação

e à deterioração em temperatura elevadas. Esses materiais seriam largamente

utilizados em aplicações a temperaturas elevadas e sob tensões severas se não

fosse a sua predisposição à fratura frágil. A tenacidade à fratura das cerâmicas tem

sido melhorada de forma significativamente pelo desenvolvimento de uma nova

geração de compósitos com matriz cerâmica, os quais consistem em particulados,

fibras ou whiskers de um material cerâmico que são adicionados em uma matriz de

outro cerâmico (CALLISTER, 2014).

9

Desde a década de 80 os compósitos de matriz cerâmica são foco de interesse

em pesquisas devido ao alto desempenho estrutural, principalmente quando

aplicados em altas temperaturas. Porém, suas características mecânicas são

significativamente influenciadas pela resistência e tenacidade das matrizes

(MIRACLE e DONALDSON, 2001).

Os materiais cerâmicos podem ser classificados em cerâmicas sinterizadas

tradicionais e avançadas, vidros e materiais cimentícios que se diferem por se

tornarem sólidos por reação de hidratação ou de outra espécie como a

policondensação.

2.1.2 Compósitos particulados

Hage Junior (1990) define compósito particulado como sendo aqueles

reforçados por partículas. Esse tipo de compósito tem como vantagem propriedades

quase-isotrópicas, o que os torna adequados para aplicações onde as solicitações

são multidirecionais. Os materiais particulados inseridos neste tipo de compósito vão

desde cerâmicas naturais como granito, quartzo e sílica até outros como carbeto de

tungstênio ou carbeto de silício, o que proporciona elevada dureza e resistência à

abrasão.

Callister (2014) subdivide os compósitos particulados em dois grupos, os

reforçados por partículas grandes e os reforçados por dispersão. Essa subdivisão

está baseada no mecanismo de reforço ou de aumento da resistência. O termo

grande é utilizado para indicar que as interações entre matriz e reforço não podem

ser tratadas no nível atômico ou molecular, ao invés disso deve ser empregada à

mecânica do contínuo. Para a maioria dos compósitos particulados a fase dispersa é

mais dura e rígida do que a matriz. Elas tendem a restringir a movimentação da fase

matriz na vizinhança de cada partícula, fazendo com que a matriz transfira parte da

tensão aplicada à elas, suportando parte da carga. A qualidade dessa transferência

depende de uma ligação forte na interface matriz-partícula. Já nos compósitos

reforçados por dispersão, com partículas de diâmetros que variam entre 0,01 e 0,1

µm, a interação matriz-partícula ocorre em nível subatômico ou molecular. Enquanto

a matriz é responsável por suportar a maior parte da carga aplicada, as pequenas

partículas dispersas evitam ou dificultam o movimento das discordâncias fazendo

10

com que a deformação plástica seja restringida, tal que os limites de escoamento e

de resistência à tração, assim como a dureza, são melhorados (CALLISTER, 2014).

Um compósito particulado de matriz cerâmica presente no cotidiano de todos é

o concreto, composto por cimento (matriz cerâmica) e areia e brita (particulados). Os

dois tipos de concreto mais utilizados são aqueles feitos com cimento do tipo

Portland e asfáltico. O asfáltico é amplamente utilizado como material de

pavimentação enquanto que o feito de cimento Portland é utilizado principalmente

como material estrutural de construção (CALLISTER, 2014).

Como dito anteriormente, as partículas mais comumente utilizadas para o

reforço em concretos são areia e brita, porém nem sempre há a necessidade de

reforço e sim de diminuir a densidade do concreto. Esse objetivo pode ser atingido

através da substituição de partes da matriz cimentícia por volumes vazios ou

agregados leves.

2.2 Geopolímeros

A base da descoberta dos geopolímeros teve início com o interesse de

pesquisadores sobre a longevidade dos sistemas ligantes antigos. É comum

encontrar exemplos de degradação em concretos e argamassas fabricados com

cimento do tipo Portland em construções com poucas décadas de vida enquanto que

materiais cerâmicos, largamente encontrados em escavações arqueológicas,

apresentam sua estrutura quase intacta, ou mesmo em construções milenares com

suas partes estruturais com desgastes mínimos do ponto de vista químico e físico

(PINTO, 2004).

Cimentos antigos com idades de até 9000 anos, ainda com suas funções

básicas intactas, como por exemplo, argamassas encontradas em Jérico, Grécia,

Turquia, Síria e principalmente no Egito, deixam claro que, apesar da ação de vários

agentes durante milênios esses materiais mostram notáveis propriedades como

dureza e estabilidade comparáveis às de rochas naturais (DAVIDOVITS e MORRIS,

1988).

O ucraniano Vitor Glukhovsky foi o principal impulsionador dos estudos sobre

ligantes alcalinos. Tendo como principal motivação a comparação do excelente

comportamento dos ligantes antigos com os seus equivalentes modernos,

principalmente os cimentos do tipo Portland. Glukhovsky e sua equipe, na década de

11

1950, investigaram principalmente a natureza química dos cimentos antigos através

de ensaios de difração de raios x, microscopia ótica e eletrônica e outras técnicas

em amostras recolhidas de construções milenares a procura de averiguar quais os

fatores responsáveis pela excelente estabilidade desses materiais (GLUKHOVSKY

apud PINTO, 2004). Foram encontradas fases cristalinas de géis de silicatos

cálcicos semelhantes aos encontrados no cimento Portland; foi detectada também a

presença de um zeólito, a analcite, a qual foi atribuída a resistência ao desgaste das

argamassas e concretos antigos (KRIVENKO apud PINTO, 2004).

Dyer apud Pinto (2004) define zeólitos como um grupo de alumino-silicatos

cristalinos hidratados de metais alcalino ou alcalino-terrosos como o sódio, potássio,

magnésio ou cálcio, caracterizados por uma elevada superfície interna de contato e

grande capacidade de troca de íons e cátions. Sua estrutura é cristalina,

tridimensional, formada por tetraedros de SiO2 e Al2O4, sob a forma de íons,

fortemente ligados pelos vértices, compartilhando oxigênio.

A identificação da presença de zeólitos foi essencial para a compreensão de

como eram formados os ligantes antigos. A formação dos zeólitos na natureza se dá

pela interação entre cinzas vulcânicas muito finas e praticamente amorfas e

ambientes lacustres de características alcalinas, que podem ser águas com elevado

teor de carbonatos ou bicarbonatos de sódio. É possível obter zeólitos nas mesmas

condições a partir de materiais diferentes como sílica biogénica, certos tipos de

argilas, feldspatos e algumas formas de quartzo (DYER apud PINTO, 2004).

A partir do conhecimento da presença dos zeólitos nos ligantes antigos, da sua

função na melhora da resistência ao desgaste e estabilidade, e do seu mecanismo

de formação na natureza foi possível a redescoberta dos ligantes ativados

alcalinamente por Glukhovsky e sua equipe que batizaram esse material com o

nome de “cimentos de solo”. A designação “solo” foi dada pelo fato de utilizarem

para sua produção material natural e cimento pela sua capacidade ligante. Os

“cimentos de solo” eram obtidos a partir de alumino-silicatos minerais moídos,

misturados com resíduos industriais ricos em álcalis (SEVERO et al., 2013).

Na década de 1970, impulsionado pela grande quantidade de incêndios

catastróficos em Paris envolvendo plásticos orgânicos, Joseph Davidovits e sua

equipe de pesquisadores tiveram como objetivo desenvolver materiais plásticos

inorgânicos, ou seja, sem a presença de cadeias de carbono, não inflamáveis e

resistentes ao fogo. Para isso utilizou elementos geológicos baseados no silício, o

12

que resultou em material silico-aluminoso ativado alcalinamente, denominado por

Davidovits como geopolímero (SEVERO et al., 2013).

É necessário agora diferenciar algumas denominações já apresentadas. O

termo “Ativação Alcalina” ou “Materiais Ativados Alcalinamente” se aplica quando

são utilizados materiais precursores contendo Si e Ca, como por exemplo, as

escórias de alto forno ativadas com solução alcalina de baixa a moderada

concentração e que têm silicato de cálcio hidratado como produto final da reação. E

o termo “Geopolímero” é aplicado quando a matéria-prima contém principalmente Si

e Al, como metacaulim e cinzas volantes; a reação ocorre em meio de alta

alcalinidade e tem como produto um mineral alumino-silicato hidratado (PALOMO et

al., 1999).

Polisialato foi outra designação química adotada por Davidovits para designar

geopolímeros. Sialato é uma abreviação para sílico-óxido-aluminato. A rede de

sialato é formada por tetraedros de SiO4 e AlO4 conectados pelo compartilhamento

de átomos de oxigênio. Íons positivos (Na+, K+, Ca2+ etc) devem estar presentes

para balancear a carga negativa do Al em número de coordenação IV. Cadeias ou

anéis são formados e interconectados, sempre através de uma ponte de sialato Si-

O-Al. As estruturas tridimensionais de alumino-silicato, de amorfas a semicristalinas,

podem se apresentar em três formas básicas que variam com o monômero de

repetição (DAVIDOVITS, 2005). A Figura 2.5 apresenta essas estruturas e a razão

Silício e Alumínio de cada uma delas.

Estruturas amorfas são aquelas sem uma organização molecular determinada

e uma estrutura cristalina apresenta uma ordem, segundo uma malha bem definida

repetitiva. Assim estruturas semicristalinas, não são totalmente amorfas, nem

totalmente cristalinas, são um estado intermediário. Esse aspecto interfere

diretamente na resistência mecânica do material (PAIVA, 2006).

13

Figura 2.5 - Estruturas básicas dos polisialatos. Fonte: Adaptado de (DAVIDOVITS,

2005).

2.2.1 Geopolimerização – Mecanismos de reação

Geopolimerização é o processo responsável pela formação dos geopolímeros.

A compreensão desse processo e dos fatores que o influenciam é de extrema

importância para a aplicação dos materiais geopoliméricos. Embora os mecanismos

envolvidos na reação tenham sido estudados nas ultimas décadas, ela ainda não foi

compreendido totalmente, porém os seus princípios gerais foram bem definidos.

(Yao et al., 2009; SEVERO et al., 2013).

Glukhovsky apud Severo (2013) propôs um mecanismo geral para a ativação

de materiais alcalinos constituídos basicamente de sílica e alumina reativa. O

modelo de Glukhovsky é composto por um conjunto de reações de dissolução,

coagulação, condensação e cristalização. Primeiramente ocorre a quebra das

ligações covalentes Si-O-Si e Al-O-Si devido à alta alcalinidade do meio, dessa

forma esses grupos são transformados em uma fase coloidal. Em seguida ocorre a

acumulação dos produtos das quebras de ligações, que interagem entre eles de

modo a formar uma estrutura coagulada, o que conduz a uma terceira fase para a

geração de uma estrutura condensada e, com tempo e temperatura, pode haver

cristalização. A Figura 2.6 ilustra os mecanismos anteriormente descritos da

geopolimerização, exceto a cristalização.

14

Figura 2.6 - Modelo sugerido por Glukhovsky - a) Material precursor em contato com

o meio alcalino, b) quebra das ligações covalentes Si-O-Si e Al-O-Si, c) coagulação,

d) condensação. Fonte: Adaptado de (SEVERO et al., 2013)

15

Na Figura 2. 7 é apresentado como se dá a reação de geopolimerização a

partir de um alumino-silicato com a formação de poli(sialato-siloxo). É possível

observar também na Figura 2.7 que ocorre a liberação de água durante a reação

química de formação dos geopolímeros. Devido à liberação de água durante o

processo de cura os nano-poros descontínuos da matriz são eliminados resultando

em um melhor desempenho do material. A principal função da água no processo de

geopolimerização é conferir uma melhor trabalhabilidade à mistura (WALLAH et

al.,2006). Porém, se houver liberação de água de forma descontrolada poderá

ocorrer retração do geopolímero, para que isso não ocorra, é importante que os

corpos de prova sejam envolvidos em plástico filme durante a cura (Pinto, 2004;

Granizo et al., 1997).

Figura 2.7 - Reação de Geopolimerização. Fonte: Adaptado de (WALLAH et

al.,2006)

2.2.2 Ativadores alcalinos

A ativação alcalina consiste na liberação dos elementos Al e Si quando

utilizados alumino-silicatos como precursores ou de Ca e Si quando utilizados

precursores provenientes de escória de alto forno. Em se tratando de alumino-

silicatos, para a formação e estabilização do geopolímero é necessário um meio

altamente alcalino para que a alumina (Al2O3) e sílica (SiO2) sejam dissolvidas,

assim como hidrolisar a superfície das partículas das matérias-primas, necessitando

também da presença de um cátion na solução através dos chamados ativadores

para o balanceamento de carga (SEVERO el al., 2013).

16

Diferente dos materiais precursores fonte de Si e Al, substâncias utilizadas

para a ativação alcalina não são encontradas na natureza, apesar de que no

passado recursos naturais, como carbonato de sódio, foram utilizados para a

obtenção de hidróxido de sódio (NaOH). Tal produto era obtido pela dissolução do

carbonato de sódio em água (DAVIDOVITS e MORRIS, 1988).

Os hidróxidos alcalinos mais utilizados como ativadores na síntese de

geopolímeros são a base de sódio e potássio. Em um contexto de processamento e

obviamente ao lado da alta corrosividade, as propriedades mais importantes de

soluções concentradas de hidróxidos de metais alcalinos que devem ser

consideradas são a viscosidade e o calor de dissolução. Tendo como foco a

viscosidade das soluções, é possível observar na Figura 2.8 a sua variação com a

concentração molar a 25°C para vários hidróxidos alcalinos. Em alguns casos os

dados não estão completos devido à indisponibilidade na literatura acadêmica. No

entanto, fica evidente uma tendência de todas as soluções a aumentar a viscosidade

com o aumento da concentração acima de 1 mol, concentração em que a

viscosidade não difere significativamente a da água (PROVIS, 2009). A viscosidade

das soluções influencia diretamente na trabalhabilidade da pasta geopolimérica

antes de sua ativação.

Figura 2.8 - Viscosidade de soluções de hidróxidos alcalinos como função da

molaridade. Fonte: Adapatado de (PROVIS, 2009)

17

Dois tipos de ativadores são utilizados para a síntese de geopolímeros:

hidróxidos alcalinos ou uma mistura de soluções de silicato alcalino e hidróxido

alcalino. Silicato alcalino e hidróxido alcalino são geralmente utilizados para produzir

geopolímeros designados como poli(sialato-siloxo) e poli(sialato-disiloxo). A

diferença entre os dois tipos de ativadores é que quando há o uso de silicato alcalino

ocorre a adição de sílica no sistema, o que não acontece com as soluções de

hidróxido alcalino. Na dissolução dos constituintes do material precursor o Al é

liberado antes do Si e por essa razão a variação na quantidade de sílica no ativador

resultará em produtos com propriedades e estruturas distintas (Weng e Sagoe-

Crentsil, 2007). A reação geopolimérica é acelerada pelo uso de ativadores a base

de silicato, devido a sílica presente iniciar a reação com a alumina livre na solução o

que favorece o processo de polimerização resultando em um produto de reação com

mais Si e maior resistência mecânica (CRIADO et al., 2005).

Autores que utilizaram metacaulim como material precursor para a síntese de

geopolímeros relataram que o grau de reação em misturas ativadas com silicato de

sódio e hidróxido de sódio é maior do que nas misturas que utilizam apenas

hidróxido de sódio. Isso é devido à sílica proveniente do silicato de sódio reagir

antes da sílica do metacaulim, o que deixa uma maior porção da mistura sem reagir

quando comparada à ativação com hidróxido de sódio (GRANIZO et al., 1997;

GRANIZO et al., 2007). Os ativadores compostos apenas por hidróxidos alcalinos

são chamados simples, enquanto que os compostos por hidróxido e silicato alcalino

são chamados composto.

2.3 Metacaulim

A palavra metacaulim vem dos termos “meta” que significa mudança e “caulim”

ou “Kao-Ling” que significa alto cume, o nome de uma colina próxima a Jauchau Fu,

onde o material era extraído séculos atrás para a utilização em cerâmicas.

O metacaulim (Al2O3:2SiO2) é uma pozolana natural produzida pela calcinação

de argilas, que contém caulim, em temperaturas que variam entre 600 e 900 °C,

tornando-a mulita (Al6Si2-O13) e sílica amorfas (MURAT et al., 1985). Tipicamente,

metacaulim contém de 50 a 55% de SiO2 e de 40 a 45% de Al2O3 (POON et al.,

2001). Podem ser encontrados outros óxidos na composição do metacaulim como

Fe2O3, TiO2, CaO e MgO. Suas partículas são geralmente menores que as de

18

cimento e maiores que as de sílica ativa variando entre 1,5 e 5 µm. A cor do

metacaulim pode variar de acordo com sua constituição, mas geralmente é branco,

característica que o torna bastante atrativo na correspondência de cores e outras

aplicações arquitetônicas (JIAN-TONG e ZONGJIN, 2002).

2.3.1 Matérias-primas para a fabricação de metacaulim

O metacaulim pode ser obtido não só pela calcinação controlada do caulim,

mas também através da calcinação de outros materiais. Segundo Ambroise et al.

(1985) o metacaulim pode ser obtido pela calcinação de solos lateríticos indígenas

com temperaturas variando de 750°C a 800°C. Outra fonte para a produção de

metacaulim é a calcinação de lamas residuais da indústria de reciclagem de papel

(GARCÍA et al., 2008).

2.3.1.1 Caulim O caulim é um dos minerais industriais mais utilizados chegando a uma

produção mundial superior a 25 milhões de toneladas (NKOUMBOU et al., 2009).

Matéria-prima mineral extremamente útil graças as suas propriedades como: cor

branca, pequeno tamanho de partícula e inércia química o que o torna adequado

para inúmeras aplicações industriais como a produção de cimento, cerâmica,

porcelana e tijolos. Ele também é usado como material de enchimento para a

pintura, borracha e plásticos, matéria-prima convencional para revestimentos,

materiais à prova de fogo, produtos químicos, medicamentos, têxteis e petróleo. A

maior demanda por caulim é na indústria de papel, onde ela é usada para produzir

papel revestido de alta qualidade, pigmentos e indústrias de alumínio. Também é

utilizado em medicamentos, pasta de dentes, cosméticos e como um aditivo

alimentar. Atualmente, um spray especialmente formulado com caulim tem sido

usado em frutas e legumes, durante o seu crescimento, para repelir insetos e evitar

queimaduras pelo sol (RASHAD, 2013). A Figura 2.9 mostra uma típica amostra de

caulim.

19

Figura 2.9 - Amostra de caulim. Fonte: (RASHAD, 2013)

O principal constituinte do caulim é a caulinita, material alumino-silicato de

composição teórica aproximada 2H2O Al2O3 2SiO2. A caulinita é o mineral argiloso

que fornece a plasticidade da matéria-prima e a mudança durante a fase de queima

para produzir o material permanente. Estruturalmente, caulinita é composta por

camadas octaédricas de alumina e camadas tetraédricas de sílica empilhadas

alternadamente com a composição teórica de 46,54% SiO2, 39,5% Al2O3 e 13,96%

H2O.

O uso do caulim na indústria depende de vários fatores como: condições

geológicas de sua formação, a composição mineralógica total do depósito de caulim

e propriedades físicas e químicas (PRASAD et al., 1991). Os tamanhos das

partículas de caulim variam de 0.2 a 15 µm. Após classificação granulométrica, as

partículas maiores são utilizadas como argila de enchimento e as menores são

normalmente utilizadas como produtos de revestimento. Sobre condições normais o

caulim é normalmente estável. Entretanto, quando aquecido a temperaturas que

variam entre 650° a 900° C o caulim perde 14% de sua massa em íons de hidroxila.

Este tratamento térmico, também chamado de calcinação, quebra as estruturas do

caulim de tal forma que as camadas de sílica e alumina se tornem enrugadas e

perdem sua ordem de longo alcance. O resultado da desidroxilação e desordem é o

metacaulim, um material amorfo com reatividades pozolânica e hidráulica latentes,

20

adequado para uso em aplicações cimentícias (Kostuch et al., 1993; BENSTED e

BARNES, 2002).

2.3.1.2 Lamas residuais da indústria de papel reciclado

Uma fonte alternativa de metacaulim favorável ao meio ambiente é a

calcinação de lamas residuais das indústrias de reciclagem de papel. Este material

contém minerais argilosos tais como caulim, talco ou mica. Estudos feitos por Perá

(1998 e 2001) e Frías et al. (2004), relativos a resíduos argilosos, mostraram que a

calcinação de lamas residuais de papel em temperaturas entre 650° e 750° C produz

metacaulim altamente reativo.

As presenças de outros materiais argilosos nos resíduos de papel e as altas

concentrações de carbonato de cálcio podem agir como aceleradores na reação de

ativação do metacaulim, como também na reação pozolânica. Outros trabalhos de

Frías et al. (2008 e 2008a) mostraram que se os resíduos de papel são ativados,

eles se transformam em produtos altamente pozolânicos, similares ao metacaulim

obtido da calcinação do caulim e também da sílica ativa no que diz respeito à

atividade pozolânica.

Ainda Frías et al. (2010) ativou termicamente lama residual de de jornal

reciclado. Ela foi tradada a 500°, 550°, 600°, 650° e 700°C por duas horas. Os

resultados da atividade pozolânica da lama calcinada mostraram que o tratamento

em 600°C por duas horas foi a melhor condição de ativação. Vegas et al. (2009)

converteu lama de papel em metacaulim através de tratamento térmico a 650°C por

2 horas a uma taxa de 20°C/min. Já Fernández et al. (2010) calcinou lama residual a

650°C por duas para obter metacaulim. Frías et al. (2008 e 2008b) determinaram o

efeito das condições de calcinação a 700°C por 2 e 5 horas, 750°C pelo mesmo

período e 800°C por 2 horas nas propriedades da lama de papel tratada. Foi

concluído que é possível obter produtos calcinados com alta atividade pozolânica

(metacaulim) em temperaturas entre 700° e 800°C com propriedades comparáveis

ao metacaulim e sílica ativa comerciais. A melhor condição para converter a lama

residual em um material de alta pozolanicidade foi 700°C por 2 horas.

Vários trabalhos feitos nessa área mostraram diferentes condições ideais de

temperatura e tempo de calcinação, pois é importante levar em conta que o material

de partida é um rejeito industrial, ou seja, sua constituição não é constante.

21

2.4 Argila expandida

Alguns tipos de argilas, quando aquecidas em temperaturas em torno de

1200°C dão origem às argilas expandidas. Esse processo de transformação se dá

devido aos diferentes constituintes da matéria-prima. Partes desses constituintes se

fundem, ficando em um estado semi-plástico devido às altas temperaturas enquanto

que outras partes, mais voláteis, liberam gases que devido à massa viscosa formada

não conseguem escarpar para a atmosfera. Isso faz com que o material expanda até

sete vezes o seu tamanho original. Essa estrutura porosa se mantém depois do

resfriamento, assim a massa unitária do material após todo o processo de fabricação

torna-se menor, devido ao aumento do seu volume, enquanto que sua massa é

menor do que a inicial (SHORT apud MORAIVA et al., 2006, p.193; COUTINHO

apud MORAIVA et al., 2006, p.193; SANTOS apud MORAIVA et al., 2006, p.193).

A argila expandida foi inventada em 1885, porém sua produção industrial só

teve início em 12 de fevereiro de 1918 por S.I. Hayde em sua fábrica no Kansas

City, Estados Unidos. O material produzido nesta fábrica recebeu o nome de Haydite

em homenagem ao seu inventor. O uso da argila expandida cresceu somente após a

2ª Guerra Mundial devido o interesse do setor de construção civil por este material

inerte e leve. Também neste período a produção de argila expandida por toda

Europa foi disseminada tendo a Dinamarca como principal desenvolvedora do

produto. O processo de fabricação de argila expandida em fornos rotativos, que

ainda é utilizado nos dias de hoje, foi patenteado na Dinamarca. A marca comercial

LECA (Lighweight Expanded Clay Aggregate) era então criada (MELO, 2000).

2.4.1 Processos de fabricação da argila expandida

Nos itens a seguir serão apresentados os principais processos de fabricação

da argila expandida, por sinterização e forno rotativo.

2.4.1.1 Sinterização

A fabricação de argila expandida pelo processo de sinterização, ou também

chamado sinterização contínua, tem início pelo umedecimento da matéria-prima que

então é misturada com uma proporção adequada de combustível (coque ou carvão

22

moídos) para então ser transportada em uma grelha móvel, durante todo esse

transporte a mistura passa por queimadores garantindo a igual distribuição do calor

por toda a mistura para que haja formação dos gases e consequente expansão da

argila (MEHTA e MONTERIO, 1994; NEVILLE, 2012).

Cabral (2005) define o processo de sinterização para a fabricação de argila

expandida idêntico, em princípio, à sinterização de minérios de zinco ou níquel onde

a matéria-prima é misturada com certa quantidade de combustível, em seguida é

depositada de forma não compactada sobre uma grelha móvel em um forno do tipo

Dwight-Lloyd onde é incinerada graças à sucção ou injeção de ar através da grelha.

A argila expandida fabricada pelo processo de sinterização apresenta algumas

características ruins quando comparadas às fabricadas em fornos rotativos. As

produzidas pelo processo de sinterização possuem massa específica aparente entre

650 kg/m³ e 900 kg/m³ enquanto que as produzidas em fornos rotativos têm valores

entre 300 kg/m³ e 650 kg/m³ (MEHTA e MONTERIO, 1994).

Segundo Santos et al. (1986) as argilas expandidas fabricadas por sinterização

apresentam uma grande quantidade de poros abertos, o que acarreta em altos

valores de absorção de água. Outra desvantagem devida aos poros abertos ocorre

quando a argila expandida é utilizada como agregado em concreto. A penetração da

pasta de cimento nos poros pode aumentar o consumo de cimento em uma faixa de

30 a 100 kg por m³ de concreto levando também a um aumento de sua massa

específica (ROSSIGNOLO, 2003).

2.4.1.2 Fornos rotativos

A fabricação de argila expandida em fornos rotativos se assemelha muito com

ao processo de obtenção do cimento Portland em que se usa gás ou óleo diesel

como combustível. Os fornos podem atingir temperaturas entre 1000° e 1350° C,

próximas do ponto de fusão de componentes da matéria-prima. Em decorrência da

fusão e da gaseificação de alguns componentes é formada a estrutura da argila

expandida com seu interior composto por uma massa esponjosa microcelular,

revestida por uma camada externa vitrificada chamada de encapado que confere ao

agregado uma porosidade interna fechada o que leva a uma diminuição significativa

da absorção de água. Além disso, apresenta uma granulometria variada, formato

23

arredondado regular, boa resistência mecânica com baixa permeabilidade (MEHTA

e MONTERIO, 1994; ROSSIGNOLO, 2003).

Na Figura 2.10 é possível observar uma micrografia de argilas expandidas

produzidas por sinterização e em fornos rotativos. Fica evidente a formação do

encapado na argila fabricada em forno rotativo.

Figura 2.10 - (a) Argila expandida fabricada por sinterização, (b) Argila Expandida

fabricada em forno rotativo. Fonte: Adaptado de (ZHANG e GJORV, 1991)

Para que o processo de fabricação da argila expandida seja completo é

necessária a presença de fundentes na matéria-prima para que se forme uma

camada vítrea, caso contrário, os gases formados internamente não são

aprisionados por essa camada e consequentemente não há o aumento de volume

da argila. Devem existir também teores mínimos de SiO2, Al2O3 e de constituintes

que agem como fundentes (MgO, Na2O, CaO, Fe2O3 e K2O) que são extremamente

importantes para a fusão da matéria-prima em baixas temperaturas (SOBRAL,

1987). Porém, para solucionar esse problema é possível ajustar o teor de fundentes

adequadamente, alterar o período de liberação de gás através de temperaturas mais

altas, acelerar o aquecimento com a diminuição do fluxo de ar ou pela adição de

componentes que elevem a viscosidade da fase vítrea (CABRAL, 2005).

Cabral (2005) identificou todas as etapas do processo de produção da argila

expandida em fornos rotativos:

1) Secagem (remoção da água de moldagem e de umidade);

2) Remoção de água adsorvida e de matéria orgânica;

3) Remoção de água de constituição (água de hidroxilas);

24

4) Oxidação de enxofre, ferro, carbono e outros elementos;

5) Dissociação-redução (carbonatos de Ca e Mg; sulfatos; óxidos férricos a

óxidos ferrosos);

6) Vitrificação (primeira formação de vidro ou fusão incipiente);

7) Período piroplástico em que algumas argilas, folhelhos e ardósias incham ou

expandem;

8) Fusão total, predominância de fase liquida de baixa viscosidade, havendo

desaparecimento da estrutura celular e perda de forma do agregado.

A estrutura celular de um agregado leve é definida por Souza Santos (apud

CABRAL, 2005, p. 51) como uma textura em que os vazios estão isolados entre si

por paredes impermeáveis, já o termo estrutura porosa ou esponjosa é definido

como uma textura em que os vazios estão interconectados com o meio, como em

uma esponja.

Cabral (2005) também discorreu sobre as condições necessárias para que a

expansão piroplástica da argila expandida produza uma boa estrutura celular

essencial a um agregado leve de alta qualidade:

a) O material na condição piroplástica deve possuir quantidade de fase vítrea

suficiente para tapar os poros e reter os gases formados;

b) O material deve conter teor apropriado de substâncias produtoras de gases

para produzir a expansão necessária para que se atinja uma massa específica

aparente desejada.

c) Os componentes voláteis devem ser liberados em quantidade, velocidade e

temperatura adequadas para que coincidam com as condições piroplásticas

ótimas do material.

d) A fase vítrea deve possuir viscosidade adequada para a formação de um

grande número de bolhas ou vesículas necessárias a uma baixa massa

específica aparente do agregado leve e também uma espessura suficiente para

fornecer às vesículas máxima resistência ao esmagamento da partícula.

e) Por motivos econômicos a expansão da argila deve ocorrer em temperaturas

mais baixas possíveis. Porém essas temperaturas não devem ser devidas à

presença de fundentes ou sais alcalinos, que irão liberar compostos solúveis

prejudiciais ao concreto leve (tipo de concreto em que argila expandida é

utilizada).

25

f) O intervalo de temperatura em que ocorre o início da expansão e fusão total

deve ser superior a 20°C, a fim de evitar que os fragmentos de agregado leve

se grudem e provoquem o entupimento do forno.

2.4.2 Fabricação da argila expandida no Brasil

O início do fomento à fabricação de argila expandida no Brasil se deu em 1964

com a empresa CINASA, depois chamada CINASITA, e conhecida nacionalmente

hoje como CINEXPAN. O objetivo principal era fornecer agregado leve, produto até

então inexistente no Brasil, para o uso em construção de conjuntos habitacionais em

escala industrial, demanda dada pelos governantes da época. A pesquisa de

matérias-primas, dimensionamento do projeto, construção e operação da usina

foram feitas pela equipe de engenharia da então CINASA associados ao Instituto de

Pesquisas Tecnológicas de São Paulo (IPT) e da empresa norte-americana Fuller.

Somente em 1967 a CINASA iniciou os primeiros teste e a produção efetiva ocorreu

em janeiro de 1968 com a produção de 7.500 m³ mensais (CABRAL, 2005).

Para atender a demanda da indústria de construção civil em São Paulo, o IPT

deu início às pesquisas com o intuito de encontrar argilas que pudessem ser

utilizadas na fabricação de agregados leves em forno rotativo. Trezentos tipos

diferentes de argilas encontradas no estado de São Paulo foram estudadas, cuja

composição química e mineralógica indicavam certo potencial para a expansão

piroplástica. Através de ensaios de queima lenta e rápida, dezesseis argilas foram

selecionadas, posteriormente reduzidas a quatro tipos e por final uma escolhida por

condições econômicas para a industrialização (SOUZA SANTOS apud CABRAL,

2005, p. 57).

Baseado em um projeto da empresa U.S. Bureau of Mines, foi construído em

São Paulo um forno rotativo para a produção em escala piloto. A Figura 2.11 exibe o

fluxograma do processo de produção que seguia as seguintes etapas: matéria-

prima; extração, desagregação e umidificação; conformação por extrusão em

maromba; corte de argila extrudada em cilindros de 1 cm de diâmetro e 1 cm de

altura; rolamento e secagem superficial; queima no fomo rotativo; resfriamento;

separação; estocagem. Umas das matérias-primas utilizadas foi um tipo de argilito

compacto, não desagregável em água, o que não permitiu o estudo em sua forma

26

plástica e sim britado até atingir um tamanho médio de 1 cm de diâmetro (CABRAL,

2005).

Figura 2.11 - Fluxograma do processo de produção de argila expandida em forno

rotativo. Fonte: (SOUZA SANTOS apud CABRAL, 2005, p. 57).

Atualmente no Brasil a principal produtora de argila expandida continua sendo

a CINEXPAN localizada no município de Várzea Paulista no estado de São Paulo. A

matéria-prima utilizada é retirada no Recôncavo Baiano e a fabricação da argila

expandida é feita em fornos rotativos. São produzidos cinco tipos de argila

expandida tendo como principal diferença suas classes granulométricas: de 22 a 32

mm,15 a 22 mm, 6 a 15 mm, menores que 5 mm e menores que 2,5 mm. Na Figura

2.12 abaixo é possível observar os diferentes tipos de argilas expandidas citadas e

argilas expandidas dentro de um forno rotativo ainda incandescentes.

27

Figura 2.12 - Argilas expandidas produzidas pela CINEXPAN: (a) de 22 a 32 mm, (b)

de15 a 22 mm, (c) de 6 a 15 mm, (d) menores que 5 mm, (e) menores que 2,5 mm e

(f) argilas expandidas no interior de um forno rotativo. Fonte:

(http://www.cinexpan.com.br/index.html)

2.5 Efeito do tamanho do corpo de prova na resistência à compressão

Vários autores pesquisaram sobre o efeito do tamanho de corpos de prova

cilíndricos sobre a resistência à compressão. Yazıcı e Sezer (2007) pesquisaram o

efeito do tamanho de corpos de prova cilíndricos na resistência à compressão de 8

composições de concretos. Corpos de prova de Ø 10 cm x 20 cm e Ø 15 cm x 30 cm

foram fabricados e testados em diferentes condições de capeamento (não capeado,

capeado com cimento, gesso e enxofre). Os valores médios da resistência à

28

compressão dos corpos de prova capeados e não capeados variaram de 14 MPa a

47 MPa. No Gráfico da Figura 2.13 é possível observar que os valores da resistência

à compressão dos corpos de prova de Ø 10 cm x 20 cm foram, em geral, maiores do

que os de Ø 15 cm x 30 cm. Esse fenômeno foi atribuído pelos autores à duas

razões:

1) No teste de compressão uniaxial a menor área de contato entre o corpo de

prova e a placa de aço da máquina de testes resulta em forças de

cisalhamento, devido ao atrito entre eles, mais baixas em corpos de prova

menores.

2) Por meio de abordagem estatística, o número de micro trincas e defeitos

em amostras pequenas são menores do que em amostras de maior

dimensão, o que resulta em um aumento da densidade.

Figura 2.13 - Média da Resistência à Compressão dos corpos de prova capeados e

não capeados. Fonte: Adaptado de (YAZICI e SEZER, 2007)

Viso et al. (2008) investigaram o efeito do tamanho e formato dos corpos de

prova na resistência à compressão em concretos de alta resistência. Será dado

enfoque somente nos corpos de prova de formato cilíndrico devido ao foco do

presente trabalho. Corpos de prova de Ø 7,5 cm x 15 cm e Ø 10 cm x 20 cm foram

fabricados com um único tipo de concreto. Não foi encontrada diferença significativa

entre a resistência à compressão para os diferentes tamanhos estudados como

pode ser observado no gráfico da Figura 2.14.

29

Figura 2.14 - Efeito do tamanho na resistência à compressão. Fonte: Adaptado de

Viso et al. (2008)

Sim et al. (2013) pesquisaram o efeito o tamanho e formato dos corpos de

prova na resistência à compressão de concretos de baixo peso e concretos comuns.

Argila expandida com tamanhos máximos de 4 mm e 19 mm foram utilizadas como

agregado leve. Três traços de concreto foram utilizados para a fabricação dos

corpos de prova cilindros de Ø 5 cm x 10 cm, Ø 10 cm x 20 cm, Ø 15 cm x 30 cm, Ø

25 cm x 50 cm, Ø 30 cm x 60 cm, Ø 35 cm x 70 cm e Ø 40 cm x 80 cm. Algumas

constatações foram feitas:

1) A resistência à compressão decresce com o aumento do diâmetro dos

corpos de prova.

2) O decréscimo devido ao aumento do diâmetro dos corpos de prova é mais

notável nos concretos de baixo peso do que nos concretos normais.

3) O efeito do tamanho na resistência à compressão se torna maior com o

decréscimo da densidade do concreto, especialmente quando o diâmetro é

maior que 15 cm. Isso é atribuído ao fato de que a zona de falha é maior em

concretos de baixo peso do que em concretos normais.

Segundo Neville (2012) concretos são compostos por elementos de diferentes

resistências, portanto quanto maior for o corpo de prova, maior é a possibilidade de

que ele contenha elementos com resistência extremas, tanto altas quanto baixas.

Como resultado, a resistência medida de uma amostra diminui com o aumento do

seu tamanho. O autor ainda explana que o efeito do tamanho do corpo de prova

30

sobre a resistência à compressão pode ser atribuído a vários fatores como: o efeito

de parede, a razão entre o tamanho do corpo de prova e o tamanho máximo do

agregado, tensões internas causadas pela diferença de temperatura e umidade

entre a superfície e o interior das amostras, tensões de cisalhamento pelo contato do

corpo de prova com a máquina de testes devido ao atrito e diferença na efetividade

da cura do material. Apesar de todas as considerações serem feitas a partir de

estudos com concretos a base de cimento Portland, elas podem também ser

aplicadas para diferentes materiais cerâmicos como os geopolímeros.

Após a breve contextualização dada é possível concluir que o efeito do

tamanho do corpo de prova sobre a resistência à compressão pode ser causado por

vários fatores, e em alguns casos não ser observado, como no trabalho de Viso et

al. (2008). Portanto não é possível comparar valores de resistência à compressão

entre corpos de prova de diferentes tamanhos e ademais diferentes composições.

31

CAPÍTULO 3

MATERIAIS E MÉTODOS

Neste capítulo serão apresentados os materiais utilizados na pesquisa, os

equipamentos e a metodologia aplicada tanto na fabricação quanto na

caracterização dos compósitos.

3.1 Materiais

Como material precursor, fonte de Al e Si para a fabricação da matriz

geopolimérica, foi utilizado metacaulim fornecido pela empresa Metacaulim do Brasil.

Sua constituição química fornecida pelo fabricante é apresentada na Tabela 3.1.

Como ativador composto foram utilizados hidróxido de sódio (NaOH), em escamas,

99% de pureza fornecido pela empresa SUFAL QUIMICA LTDA afim de propiciar o

pH necessário para geopolimerização e silicato de sódio alcalino (Na2O3Si)

(Composição mássica: 14,985% de Na2O, 33,574% de SiO2, 51,441% de H2O,

razão SiO2/Na2O igual a 2,24, densidade=1,589 kg/m³ e viscosidade a 25°=1,35 cp)

fornecido pela Diatom Mineração Ltda como fonte adicional de Si. Como fase

dispersa foi escolhida a argila expandida fornecida pela CINEXPAN ARGILA

EXPANDIDA nas faixas granulométricas de 2,00 a 4,75 mm e de 6,35 a 15 mm.

Tabela 3.1 - Constituição Química do Metacaulim (% em massa).

SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO MgO K2O Na2O SO3 (LOI)*

Metacaulim 58,7 33,4 2,1 1,3 0,1 0,2 1,6 0,1 0,2 2,3

* Perda ao fogo

3.2 Metodologia

A metodologia experimental utilizada no presente trabalho foi fundamentada na

abordagem estatística de planejamento e análise experimental (MONTGOMERY,

1997), seguindo o plano de trabalho sugerido por (WERKEMA; AGUIAR, 1996). As

etapas deste procedimento serão detalhadas nos item seguintes.

32

3.2.1 Seleção das variáveis respostas

As variáveis respostas escolhidas e analisadas neste trabalho foram:

densidade aparente, densidade volumétrica, porosidade aparente, absorção de

água, resistência mecânica à compressão e velocidade de pulso ultrassônico. Foram

feitas também análises qualitativas: composição química, identificação das fases

cristalográficas presentes, análise da morfologia superficial e análise elementar

superficial do compósito.

3.2.2 Escolha dos fatores experimentais e seus níveis

Os fatores e níveis experimentais foram selecionados com base nos estudos

de artigos sobre o tema e nos objetivos deste projeto. Este trabalho identificou quais

fatores e níveis apresentam efeitos significativos sobre as variáveis respostas

selecionadas. Como fatores passíveis de serem controlados foram escolhidos:

fração volumétrica de argila expandida, tamanho da argila expandida e concentração

molar de NaOH. Os fatores mantidos constantes no experimento foram: a proporção

(em massa) entre a solução composta e o metacaulim igual a 0,8 ((sol. NaOH + sol.

Na2O3Si)/metacaulim = 0,8) , razão entre sol. Na2O3Si e sol. NaOH igual a 1 (sol.

Na2O3Si/sol. NaOH = 1), porcentagem mássica de água deionizada extra em relação

ao metacaulim igual a 2% (água/metacaulim=2%), tempo de mistura (5 min) e

tempo de cura (28 dias).

A fração mássica de argila expandida adicionada na matriz geopolimérica foi

investigada em quatro níveis: 0%, 20%, 40% e 60%; as dimensões investigadas em

dois níveis: faixas granulométricas de 2,00 a 4,75 mm (tamanho A) e de 6,35 a 15

mm (tamanho B) e a concentração molar de NaOH também foi investigada em dois

níveis: 8 e 12 mol/litro. Para a análise da densidade volumétrica, densidade

aparente, porosidade aparente, absorção de água e velocidade de pulso

ultrassônico foi adotado o planejamento fatorial completo com todos os fatores e

níveis apresentados, ou seja, os experimentos foram realizados em todas as

combinações dos níveis de fatores possíveis. Como pode ser observado na Tabela

3.2 o planejamento fatorial é o tipo 4¹2² fornecendo 16 condições apresentadas na

Tabela 3.3.

33

Tabela 3.2 - Fatores e níveis do experimento.

Fatores do experimento Níveis

Fração volumétrica de argila expandida

0%

20%

40%

60%

Tamanho da argila expandida A

B

Concentração molar de NaOH (mol/litro)

8

12

A – 2,00 a 4,75 mm; B – 6,35 a 15 mm

Tabela 3.3 - Condições experimentais, planejamento fatorial completo (4¹2²).

Condições experimentais

Fatores

Fração mássica de argila expandida (%)

Tamanho da argila expandida

Concentração molar de NaOH (mol/l)

C1 0 A 8

C2 0 A 12

C3 0 B 8

C4 0 B 12

C5 20 A 8

C6 20 A 12

C7 20 B 8

C8 20 B 12

C9 40 A 8

C10 40 A 12

C11 40 B 8

C12 40 B 12

C13 60 A 8

C14 60 A 12

C15 60 B 8

C16 60 B 12

34

Para a resistência à compressão e resistência específica, não há o fator

“tamanho da argila expandida”, pois devido a pouca disponibilidade de matéria-prima

(metacaulim e argila expandida) as condições com argila expandida de 2,00 mm a

4,75 mm foram fabricadas em moldes cilíndricos de Ø 5 cm x 10 cm e as condições

com argila expandida de 6,35 mm a 15 mm em moldes cilíndricos de Ø 7,5 cm x 15

cm. Portanto, como elucidado no item 2.5 "Efeito do tamanho do corpo de prova na

resistência à compressão”, a comparação entre a resistência à compressão e

resistência específica entre os corpos de prova de diferentes tamanhos não foi

possível.

Outro planejamento fatorial completo foi gerado para a análise dessas

variáveis. Para os corpos de prova de tamanho Ø 5 cm x 10 cm o planejamento

fatorial foi do tipo 4¹21 (ver Tabela 3.4) o que forneceu 8 condições mostradas na

Tabela 3.5.

Tabela 3.4 - Fatores e níveis do experimento, corpos de prova de Ø 5 cm x 10 cm.

Fatores do experimento Níveis

Fração volumétrica de argila expandida

0%

20%

40%

60%

Concentração molar de NaOH (mol/litro)

8

12

35


de prova de Ø 5 cm x 10 cm.

Condições Experimentais

Fatores

Fração mássica de Argila Expandida (%)

Concentração Molar de NaOH (mol/l)

C1 0 8

C2 0 12

C5 20 8

C6 20 12

C9 40 8

C10 40 12

C13 60 8

C14 60 12

Já para as os corpos de prova de Ø 7,5 cm x 15 cm o planejamento fatorial foi

do tipo 3¹21 (ver Tabela 3.6) resultando em 6 condições exibidas na Tabela 3.7.

Tabela 3.6 - Fatores e níveis do experimento, corpos de prova de Ø 7,5 cm x 15 cm.

Fatores do Experimento Níveis

Fração volumétrica de Argila Expandida

20%

40%

60%

Concentração Molar de NaOH (mol/litro)

8

12

36


de prova de Ø 7,5 cm x 15 cm.

Condições Experimentais

Fatores

Fração mássica de Argila Expandida (%)

Concentração Molar de NaOH (mol/l)

C7 20 8

C8 20 12

C11 40 8

C12 40 12

C15 60 8

C16 60 12

O método de aleatorização foi adotado na etapa de preparação dos corpos de

prova, como também na etapa de realização dos ensaios, permitindo uma

ordenação arbitrária das condições experimentais, evitando que efeitos de fatores

não controlados afetassem a variável-resposta.

3.3 Fabricação dos corpos de prova.

Antes de se iniciar o processo de fabricação dos corpos de prova todos os

materiais foram preparados. As soluções de NaOH com diferentes molaridades

foram feitas utilizando água deionizada e deixadas em repouso até que atingissem a

temperatura ambiente.

Foram doadas pela empresa CINEXPAN dois tipos de argila expandida, a

LAM 2,5 e a 1506, ambas foram classificadas e higienizadas antes do uso. A argila

expandida LAM 2,5 passou por uma classificação granulométrica, sendo utilizado

somente o passante na malha 9 (4,75 mm) e retido na malha 4 (2,00 mm) do

sistema Tyler. Após classificação a argila expandida foi lavada para a retirada de

finos e outras impurezas. Para utilizar somente os grânulos de argila expandida com

menores densidades elas foram mergulhadas em água e aquelas que afundaram

foram descartadas, utilizando somente as que apresentaram densidade menor que a

da água (1g/cm³).

37

A argila expandida 1506 também passou por uma classificação

granulométrica sendo utilizado somente o retido na malha ¼ (6,35 mm) do sistema

Tyler. Ela foi também higienizada e classificada pela densidade como a argila LAM

2,5. Após todo esse processo as argilas expandidas foram secadas em estufa e

armazenadas em recipientes devidamente vedados para que não absorvessem

umidade do ar. Pode ser observado na Figura 3.1 abaixo os dois tipos de argilas

expandidas utilizados na fabricação dos compósitos.

Figura 3.1 – Argilas expandidas: tipo A – 2,00 a 4,75 mm; tipo B – 6,35 a 15 mm

O metacaulim foi utilizado como recebido, sem passar por nenhum processo

de classificação ou mudança em sua constituição.

Com todas as matérias-primas preparadas foi dado início à fabricação dos

corpos de prova. O metacaulim e a solução composta foram misturados durante 4

minutos seguindo os seguintes passos: 1 minutos manualmente para evitar a

dispersão do metacaulim, 1 minutos em baixa velocidade em um misturador de

argamassas, 1 minutos manualmente para que o material contido nas bordas e no

fundo também fossem homogeneizados e 1 minutos no misturador de argamassas

em alta velocidade após adicionar a água extra para melhorar a trabalhabilidade da

pasta geopolimérica. A Figura 3.2 exibe o misturador utilizado no processo.

38

Figura 3.2 – Misturador de argamassa.

Garantida a mistura da fase matriz, as argilas expandidas foram adicionadas

e misturadas manualmente até que sua distribuição fosse uniforme por toda pasta

geopolimérica. Imediatamente após esse procedimento o material era envazado em

moldes cilíndricos de tamanho Ø 5 cm x 10 cm para fabricação dos corpos de prova

com argila expandida de tamanho A e de Ø 7,5 cm x 15 cm para fabricação dos

corpos de copra com argila expandida de tamanho B respeitando a norma BS EM

206-1:2000 a qual determina que o diâmetro dos corpos de prova cilíndricos deve

ser no mínimo três vezes e meio maior que o diâmetro máximo do agregado. A

utilização de um corpo de prova menor foi motivada pela pouca disponibilidade de

material, metacaulim e argila expandida.

Os corpos de prova foram então vibrados durante 20 segundos para uma

melhor acomodação do material e evitar a inclusão de bolhas de ar. O tempo de

vibração não foi maior para que não houvesse o deslocamento excessivo da argila

expandida dentro do molde, devido à sua menor densidade comparada com a

densidade da pasta geopolimérica, causando assim uma má distribuição do

agregado pelo corpo de prova. Os moldes foram envoltos com um filme plástico para

evitar a perda de água e mantidos em temperatura ambiente durante 28 dias. A

constituição de cada composição pode ser observada na Tabela 3.8.

39

Tabela 3.8 - Composição de todas as condições estudadas.

Metacaulim

(g)

Molaridade solução (NaOH)

Sol. NaOH

(g)

Sol. Na2O3Si

(g)

Tamanho da argila

expandida

Argila expandida

(g)

Água extra (g)

C1 1000 8 400 400 - 0 20

C2 1000 12 400 400 - 0 20

C3 1000 8 400 400 - 0 20

C4 1000 12 400 400 - 0 20

C5 2000 8 800 800 A 400 40

C6 2000 12 800 800 A 400 40

C7 1000 8 400 400 B 200 20

C8 1000 12 400 400 B 200 20

C9 2000 8 800 800 A 800 40

C10 2000 12 800 800 A 800 40

C11 1000 8 400 400 B 400 20

C12 1000 12 400 400 B 400 20

C13 2000 8 800 800 A 1200 40

C14 2000 12 800 800 A 1200 40

C15 1000 8 400 400 B 600 20

C16 1000 12 400 400 B 600 20

Aos 21 dias de cura os corpos de prova foram desmoldados e tiveram suas

superfícies retificadas para garantir o paralelismo entres as faces. Esta prática é de

suma importância para obter resultados confiáveis nos ensaios de compressão. Na

Figura 3.3 é possível observar a retificadora horizontal que foi utilizada para o

preparo dos corpos de prova.

40

Figura 3.3 – Retificadora horizontal de corpos de prova.

3.4 Caracterizações dos compósitos.

Serão apresentados nos seguintes itens os procedimentos e normas

aplicadas na caracterização dos corpos de prova de todas as condições.

3.4.1 Resistência à compressão.

Passados os 28 dias de cura foram executados os ensaios de compressão

utilizando a prensa hidráulica de acionamento elétrico para ensaio de concreto,

modelo PC100C, capacidade máxima 1MN, apresentada na Figura 3.4, com um

carregamento médio de 0,55 MPa/s ( NBR 5739: 2007).

41

Figura 3.4 – Prensa Hidráulica modelo PC100C

3.4.2 Velocidade de pulso ultrassônico.

Para determinar a velocidade de pulso ultrassônico foi utilizada a máquina

Portable Ultrasonic Non destructive Digital Indicating Tester (PUNDIT) e seguido as

recomendações da norma ASTM C597 – 09. O PUNDIT fornece o tempo em

microsegundos que o pulso ultrassônico leva para percorrer o corpo de prova de

uma extremidade a outra. Foram feitas 4 medições em cada corpo de prova, sendo

que a cada medição o corpo de prova era rotacionado 90°. Foi montado um aparato

de madeira para que os corpos de prova ficassem isolados de qualquer vibração que

pudessem interferir nas medições e também para que as medições fossem sempre

feitas nos mesmos pontos em todos os corpos de prova. Como exemplo tem-se a

Figura 3.5 que exibe a medição feita em um corpo de prova.

Para o cálculo da velocidade do pulso ultrassônico de cada corpo de prova foi

utilizada a Equação 3.1 abaixo:

42

V = L/T (3.1)

Sendo V - velocidade de pulso ultrassônico (m/s), L - comprimento do corpo

de prova (m) e T - tempo de percurso do pulso ultrassônico (s).

Figura 3.5 – Medição da velocidade de ultrassom de um corpo de prova.

3.4.3 Densidade volumétrica, densidade aparente, porosidade aparente e absorção de agua.

A densidade volumétrica, densidade aparente, porosidade e absorção de

água foram medidas seguindo as recomendações da norma Britânica BS EN ISO

10545-3 (1997) utilizando a impregnação com água pelo método do vácuo. Foi

utilizada uma câmara hermeticamente fechada em conjunto com uma bomba de

vácuo para garantir a saturação dos corpos de prova devido à pressão negativa. Os

aparatos utilizados podem ser observados na Figura 3.6.

43

Figura 3.6 – Câmara de vácuo e bomba de vácuo.

3.4.3.1 Densidade volumétrica.

A densidade volumétrica é dada pela razão entre a massa e o volume do

material, incluindo os poros. A mensuração da massa foi feita utilizando uma

balança de precisão e para efetuar a medição do volume foram utilizados dois

métodos: a medição indireta das dimensões dos corpos de prova cilíndricos

utilizando um paquímetro digital e através do princípio de Archimedes o qual diz que

todo corpo imerso em um fluido sofre ação de um empuxo verticalmente para cima,

cuja intensidade é igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo.

A densidade volumétrica é expressa pela Equação 3.2.

B = M1V

(3.2)

Sendo:

B – densidade volumétrica (g/cm³);

M1 – massa do corpo de prova seco (g);

V – volume do corpo de prova (cm³).

O volume dos corpos de prova calculado através do princípio de Archimedes

é expresso pela Equação 3.3.

44

V = 𝑀𝑀2−𝑀𝑀3𝜌𝜌

(3.3)

Sendo:

M2 – massa do corpo de prova saturado com água (g)

M3 – massa do corpo de prova saturado totalmente submerso em água (g)

ρ – densidade da água utilizada para a saturação e imersão (g/cm³)

O volume dos corpos de prova calculado de forma geométrica é dado pela

Equação 3.4.

𝑉𝑉 = 𝜋𝜋 × 𝑅𝑅2 × 𝐻𝐻 (3.4)

Sendo:

V – volume do corpo de prova (cm³);

R – raio do corpo de prova (cm);

H – altura do corpo de prova (cm).

3.4.3.2 Densidade aparente

A densidade aparente é dada pela razão entre a massa e o volume da parte

impermeável do material, desconsiderando assim o volume dos poros. Ela pode ser

calculada pela Equação 3.5.

T = M1𝑉𝑉1

(3.5)

Sendo:

T – densidade aparente (g/cm³);


V1 – volume da parte impermeável do corpo de prova (cm³)

O volume V1 é dado pela Equação 3.6.

45

𝑉𝑉1 = 𝑀𝑀1−𝑀𝑀3𝜌𝜌

(3.6)

Sendo:


M3 – massa do corpo de prova saturado totalmente submerso em água (g)

ρ – densidade da água utilizada para a saturação e imersão (g/cm³)

3.4.3.3 Porosidade aparente

A porosidade aparente é expressa pela razão entre o volume dos poros

abertos (Equação 3.7) e o volume externo dos corpos de prova (Equação 3.8).

P = 𝑉𝑉0𝑉𝑉

× 100 (3.7)

V0 = 𝑀𝑀2−𝑀𝑀1𝜌𝜌

(3.8)

Sendo:

P – porosidade aparente (%);

V0 – volume dos poros abertos (cm³);


M2 – massa do corpo de prova saturado com água (g);

ρ – densidade da água utilizada para a saturação e imersão (g/cm³).

3.4.3.4 Absorção de água

A absorção de água é expressa pelo percentual da massa de água absorvida

pelo corpo de prova imerso em água na câmara de vácuo em relação à massa seca

do corpo de prova. Ela é dada pela Equação 3.9.

E = 𝑀𝑀2−𝑀𝑀1𝑀𝑀1

× 100 (3.9)

Sendo:

46

E – absorção de água (%)


M2 – massa do corpo de prova saturado com água (g)

3.4.4 Difração de raios X.

O estudo cristalográfico foi feito a partir da difração de raios X. Os

difratogramas de raios X das matrizes geopoliméricas foram obtidos pelo método

dos pós no difratômetro da marca Shimadzu modelo XRD-6000, nas seguintes

condições de operação: voltagem de 30 kV, corrente de 30 mA, radiação Cu-Kα (λ=

0,15462 nm), passo de 0,02° e velocidade de varredura de 2°/mim, entre 5º e 100º.

As interpretações qualitativas de espectro foram efetuadas por comparação com

padrões contidos em artigos utilizados como referência.

3.4.5 Espectroscopia de infravermelho

A identificação dos tipos de ligações químicas foi feita por espectroscopia de

infravermelho utilizando espectroscópio da marca Perkim Elmer modelo Sprectrum

1000. As amostras foram analisadas na forma de pastilhas com KBr de elevada

pureza (grau espectroscópico) e aplicando uma carga de 10 toneladas por 60

segundos. As análises foram obtidas a partir da média de 16 ciclos de varredura. O

espectro foi analisado na região de 4000 cm-1 a 400 cm-1 com resolução de 1 cm-1.

3.4.6 Análise microestrutural

A morfologia e análise elementar superficial foram realizadas utilizando as

técnicas de microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de energia

dispersiva respectivamente. O equipamento utilizado, mostrado na Figura 3.7, foi da

marca Hitachi, modelo TM 3000, com ampliações de 500 e 1000 vezes e aceleração

de voltagem de 15 kV, utilizando modo de elétrons retroespalhado.

47

Figura 3.7 – Microscópio eletrônico de varredura – Hitachi – TM 3000

3.5 Análise estatística

Os resultados quantitativos obtidos pelos ensaios foram analisados através

das ferramentas de planejamento de experimentos (DOE - Design of Experiments) e

análise de variância (ANOVA - Analysis of variance). Para a referida análise foi

utilizando o software estatístico Minitab® (versão17). Foram gerados gráficos dos

efeitos principais e das interações dos fatores estatisticamente significativos e

também gráficos de resíduos das variáveis repostas analisadas.

48

CAPÍTULO 4

RESULTADOS E DISCUSSÕES

No presente capítulo serão apresentados os resultados quantitativos e

qualitativos obtidos. Os P-valores dos resultados quantitativos analisados

estatisticamente são apresentados na Tabela 4. 1 e Tabela 4. 2. Os fatores que

apresentam P-valor menor ou igual a 0,05; ou seja, 95% de confiabilidade são

considerados significativos (WERKEMA e AGUIAR, 1996). Segundo Drumond et al.

(1993) quando os efeitos de interação entre os fatores de um planejamento

estatístico são significativos, este é mais importante que os fatores individuais, pois

explica de melhor forma o comportamento da variável resposta analisada. Os fatores

individuais significativos são investigados somente quando a interação entre eles

não forem significativas.

Tabela 4. 1 - Análise de Variância (ANOVA).

ANOVA P – VALOR ≤ 0,05

Fatores

Experimentais

Velocidade de Pulso

Ultrassônico

Densidade Volumétrica1

Densidade Aparente

Densidade Volumétrica2

Fato

res

Prin

cipa

is Fração de A.E. 0,000 0,000 0,000 0,000

Tamanho da A.E. 0,179 0,392 0,072 0,484

Concentração de NaOH 0,000 0,011 0,505 0,001

Inte

raçã

o do

s Fa

tore

s 2ª

ord

em Fração de A.E. x

Tamanho da A.E. 0,538 0,585 0,458 0,367

Fração de A.E. x Conc. de NaOH 0,039 0,902 0,931 0,153

Tamanho da A.E. x Conc. de NaOH 0,361 0,960 0,634 0,918

Inte

raçã

o do

s Fa

tore

s 3ª

ord

em

Fração de A.E. x Tamanho da A.E. x

Conc. de NaOH 0,049 0,532 0,703 0,660

R² 94,49% 93.81% 92,92% 98,26% 1- Volume obtido pelo método de Archimedes. 2- Volume calculado geometricamente.

49

Tabela 4. 2 - Análise de Variância (ANOVA).

ANOVA P – VALOR ≤ 0,05

Fatores

Experimentais

Resistência à Compressão C.P. Ø 5 cm

Resistência Específica

C.P. Ø 5 cm

Resistência à Compressão C.P. Ø 7,5 cm

Resistência Específica

C.P. Ø 7,5 cm

Fato

res

Prin

cipa

is

Fração de A.E. 0,001 0,025 0,062 0,581

Concentração de NaOH 0,813 0,886 0,210 0,618

Inte

raçã

o do

s Fa

tore

s

Fração de A.E. x Conc. de NaOH 0,551 0,530 0,415 0,838

R² 85,07% 69.92 68.67% 23.38%

Todos os P-valores sublinhados na Tabela 4.1 e Tabela 4.2 correspondem

aos fatores ou interação dos fatores significativos. O valor de R² exibido na ANOVA

mede a proporção da variabilidade preditoras presentes na equação de regressão.

Quanto mais próximo de 1 (ou de 100%) melhor a qualidade da equação ajustada

aos dados (WERKEMA e AGUIAR, 1996). Os resíduos para distribuição normal das

variáveis respostas investigadas foram analisados, pois somente aqueles que

apresentam distribuição normal (média próxima de zero) atendem as condições para

a validação do modelo da ANOVA.

4.1 Propriedades mecânicas

Nos seguintes tópicos serão expostos os resultados para as propriedades

mecânicas analisadas.

4.1.1 Resistência à compressão

Serão apresentadas, separadamente, as resistências à compressão das

condições fabricadas com corpos de prova de diâmetro de 5 cm e 7,5 cm.

50

4.1.1.1 Resistência à compressão, corpos de prova de Ø 5 cm x 10 cm

Os valores médios da resistência à compressão dos compósitos variaram

entre 13,45 MPa e 40,12 MPa. O fator principal “fração mássica de argila expandida”

foi significativo com P-valor de 0,001; exibido na Tabela 4. 2. O valor de R² de

85,07% confirma um ajuste razoável do modelo aos resultados da resistência à

compressão. A Figura 4.1 exibe o gráfico de probabilidade normal de resíduos para

a medida da resistência à compressão. O P-valor de 0,344 indica a normalidade dos

resíduos.

Figura 4.1 - Gráfico de probabilidade normal de resíduos para a medida da

resistência à compressão, corpos de prova de Ø 5 cm x 10 cm.

A Figura 4.2 exibe o gráfico de efeito do fator principal “fração mássica de

argila expandida” sobre a resistência à compressão. Houve uma variação percentual

de 133% no valor da resistência à compressão entre as condições com 0% e 60%

de argila expandida. Fica evidente que quanto maior a fração de argila expandida,

menor é a resistência à compressão, o que já esperado, pois a argila expandida não

é um particulado utilizado como reforço e sim para diminuir a densidade volumétrica

do compósito. Portanto quanto maior a fração de argila expandida nos compósitos,

maior será a quantidade de falhas, poros e vazios, o que leva a uma diminuição da

resistência à compressão do material.

1050-5-10

99

95

90

80

70

6050

40

30

20

10

5

1

Mean -1,44329E-15StDev 3,463N 16AD 0,388P-Value 0,344

Resíduos

Porc

enta

gem

51

Figura 4. 2 - Efeito da fração de argila expandida na média da resistência à

compressão dos compósitos.

A Figura 4.3 exibe a média da resistência à compressão dos corpos de prova

de Ø 5 cm x 10 cm.

Figura 4.3 – Média da resistência à compressão dos corpos de prova de Ø 5 cm x 10

cm.

6040200

40

35

30

25

20

15

Fração Mássica Argila Expandida (%)

Méd

ia d

a R

esis

tênc

ia a

Com

pres

são

(MPa

)

133%

52

4.1.1.2 Resistência à compressão, corpos de prova de Ø 7,5 cm x 15 cm

A resistência à compressão das condições feitas com argila expandida tipo B

(6,35 a 15 mm) não foi afetada por nenhum fator principal e suas interações. Os P-

valores da fração mássica de argila expandida, concentração molar de NaOH e da

interação entre eles foram respectivamente 0,062; 0,210 e 0,415. A Figura 4. 4 exibe

o gráfico de probabilidade normal de resíduos para a medida da resistência à

compressão. O P-valor de 0,209 indica a normalidade dos resíduos.


resistência à compressão, corpos de prova de Ø 7,5 cm x 15 cm.

A Figura 4.5 abaixo exibe os valores médios da resistência à compressão das

condições fabricadas com argila expandida do tipo B. Como comprovado pela

ANOVA, não há diferença estatística entre os valores da resistência à compressão

das condições analisadas.

3210-1-2-3

99

95

90

80

70

60

5040

30

20

10

5

1

Mean 2,072416E-15StDev 1,257N 12AD 0,464P-Value 0,209

Resíduo

Porc

enta

gem

53

Figura 4.5 – Média da resistência à compressão dos corpos de prova de Ø 7,5 cm x

15 cm.

4.1.2 Resistência específica

Nos seguintes tópicos serão analisadas as resistências específicas das

condições fabricadas com corpos de prova de diâmetro de 5 cm e 7,5 cm

separadamente.

4.1.2.1 Resistência específica, corpos de prova de Ø 5 cm x 10 cm

As resistências específicas médias dos compósitos variaram entre 9,86

MPa/(g/cm³) e 22,91 MPa/(g/cm³). O fator principal “fração mássica de argila

expandida”, exibido na Tabela 4.2, foi significativo com P-valor igual a 0,025. O valor

de R² foi igual a 69, 92 %, ou seja, quase 70% da variável dependente pode ser

explicada pelos regressores presentes no modelo. A Figura 4. 6 exibe o gráfico de

probabilidade normal de resíduos para a medida da resistência específica. O P-valor

de 0,145 indica a normalidade dos resíduos.

54


resistência específica, corpos de prova de Ø 5 cm x 10 cm.

A Figura 4. 7 exibe o gráfico de efeito do fator principal “fração mássica de

argila expandida” para a média da resistência específica que teve uma variação de

83% entre as condições com 0% e 60% de argila expandida. O acréscimo de argila

diminuiu tanto a resistência à compressão quanto a densidade volumétrica, variáveis

utilizadas para o cálculo da resistência específica, porém o ideal é que o decréscimo

seja maior na densidade ou se mantenha constante nas duas variáveis, o que

acontece entre 20% e 40% de argila expandida.

Figura 4. 7 - Efeito da fração de argila expandida na média da resistência específica

dos compósitos.

5,02,50,0-2,5-5,0

99

95

90

80

70

605040

30

20

10

5

1


Resíduos

Porc

enta

gem

6040200

22

20

18

16

14

12

10


Méd

ia d

a R

esis

tênc

ia E

spec

ífica

(MPa

/(g/c

m³))

83%

55

A Figura 4.8 exibe os valores médios da resistência específica para os corpos

de prova de Ø 5 cm x 10 cm.

Figura 4. 8 – Média da resistência específica dos corpos de prova de Ø 5 cm x 10

cm.

4.1.2.2 Resistência específica, corpos de prova de Ø 7,5 cm x 15 cm

Nenhum fator principal ou suas interações influenciaram na resistência à

compressão dos corpos de prova fabricados com argila expandida do tipo B. Os P-

valores da fração mássica de argila expandida, concentração molar de NaOH e da

interação entre eles foram respectivamente 0,930; 0,404 e 0,608. A Figura 4. 9 exibe

o gráfico de probabilidade normal de resíduos para a medida da resistência à

compressão. O P-valor de 0,209 indica a normalidade dos resíduos.

A Figura 4. 10 abaixo exibe o gráfico com os valores médios da resistência

específica dos compósitos. Como comprovado pela ANOVA, não há diferença

estatística entre os valores da variável resposta das condições analisadas.

56


resistência específica, corpos de prova de Ø 7,5 cm x 15 cm.

Figura 4. 10 - Média da resistência específica dos corpos de prova de Ø 7,5 cm x 15

cm.

4.1.3 Velocidade de pulso ultrassônico

Os valores médios da velocidade de pulso ultrassônico variaram de 2409,14

m/s a 2964,00 m/s. Os fatores principais fração mássica de argila expandida e

concentração molar de NaOH foram significativos com P-valores nulos, porém a

interação de terceira ordem “fração mássica argila expandida - tamanho da argila

expandida - concentração molar de NaOH” foi significativa e apresentou um P-valor

3210-1-2-3

99

95

90

80

70

605040

30

20

10

5

1


Resíduos

Porc

enta

gem

57

de 0,049 ( Ver Tabela 4.1). O valor de R² de 94,49% indica que o modelo se ajustou

adequadamente aos resultados da velocidade de pulso ultrassônico. A Figura 4.11

exibe o gráfico de probabilidade normal de resíduos para a medida da velocidade de

pulso ultrassônico. O P-valor exibido de 0,766; maior que 0,05; que comprova a

normalidade dos resíduos.


velocidade de pulso ultrassônico

A Figura 4.12 exibe o gráfico da interação de terceira ordem “fração mássica

argila expandida - tamanho da argila expandida - concentração molar de NaOH”

para o valor médio da velocidade de pulso ultrassônico. O tamanho da argila

expandida influenciou pouco na velocidade de pulso ultrassônico, como pode ser

observado na Figura 4. 12 (a) e (c) a variação não foi maior que 2%.

A concentração molar de NaOH teve uma influência significativa, chegando a

8% para as condições sem argila expandida e 5% para condições com argila

expandida do tamanho B. O aumento da fração de argila expandida e consequente

diminuição da quantidade de matriz geopolimérica no compósito faz com que a

diferença dos valores médios da velocidade de pulso ultrassônico entre as

condições fabricadas com 8 e 12 mols de NaOH diminuam (Ver Figura 4.12 (b)).

O fator que teve maior influência foi a fração mássica de argila expandida

chegando a uma diferença de 17% entre as condições com 0% e 60% fabricadas

com solução de 8 mols (Ver Figura 4.12 (b)) e 13% entre as condições com 0% e

60% fabricadas com argila expandida do tamanho A (Ver Figura 4. 12 (a)). O

100500-50-100

99

95

90

80

70

6050

40

30

20

10

5

1


Resíduo

Porc

enta

gem

58

aumento na fração de argila expandida implica no aumento da velocidade de pulso

ultrassônico. Esse comportamento é oposto ao esperado, pois com o aumento da

fração de argila expandida aumenta também a quantidade de vazios, poros e falhas

nos compósitos e os pulsos ultrassônicos não se transmitem através de espaços

vazios, sem material, tendo que contorná-los pelo caminho mais rápido, ou seja,

quanto maior for a quantidade de espaços vazios no material, maior será o tempo

que o pulso levará para percorrê-lo resultando em uma velocidade menor se

comparado ao mesmo material com menos vazios (Pundit, 1990).

Figura 4. 12 - Efeito da interação “fração mássica argila expandida - tamanho da

argila expandida - concentração molar de NaOH” sobre a média da Velocidade de

Pulso Ultrassônico.

Foi analisada também uma correlação linear entre a velocidade de pulso

ultrassônico e a densidade volumétrica das condições feitas com solução de NaOH

8 mols e 12 mols, a Figura 4.13 exibe o gráfico com tal correlação. Panzera et al.

(2008) correlacionou várias propriedades mecânicas de compósitos cimentícios com

a velocidade de pulso ultrassônico, dentre elas a densidade volumétrica, que

mostrou ser diretamente proporcional à velocidade de pulso ultrassônico. No

presente trabalho há um decréscimo da velocidade com o aumento da densidade

nos dois tipos de matriz. Mais uma vez o comportamento foi oposto ao esperado.

2900

2800

2700

2600

2500

6040200

2900

2800

2700

2600

2500

BA

Fração A.E. * Tamanho A.E.

Fração A.E. * Conc. NaOH

Fração A.E.

Tamanho A.E. * Conc. NaOH

Tamanho A.E.

AB

812

Méd

ia d

a Ve

loci

dade

Pul

so U

ltras

sôni

co (m

/s)

5%

8%

Argila ExpandidaTamanho da

de NaOHConcentração

13%

17 %

(a)

(b) (c)

59

Figura 4. 13 - Correlação entre velocidade de pulso ultrassônico e densidade

volumétrica.

4.1.4 Densidade volumétrica

No item a seguir serão apresentados os resultados da densidade

volumétrica dos compósitos obtidos de duas formas: volume encontrado pelo

método de Archimedes e volume calculado geometricamente.

4.1.4.1 Densidade volumétrica – Volume calculado pelo método de Archimedes

A média da densidade volumétrica dos compósitos variou entre 1,16 g/cm³ e

1,66 g/cm³. Os fatores principais “fração mássica argila expandida” e “concentração

molar de NaOH” foram estatisticamente significativos, pois apresentaram P-valores

de 0,00 e 0,011; respectivamente. Já o P-valor para “tamanho da argila expandida”

de 0,392 evidencia que esse fator não influência a densidade volumétrica (Ver

Tabela 4.1). O valor de R² foi de 93,81%, o que indica uma qualidade de ajuste

satisfatória. É possível observar na Figura 4.14 o gráfico de probabilidade normal de

resíduos para a medida da densidade volumétrica. O P-valor de 0,083 comprova a

normalidade dos resíduos.

60


densidade volumétrica

É possível observar na Figura 4.15, que exibe o gráfico de efeito do fator

principal “fração mássica de argila expandida” para a variável resposta densidade

volumétrica, uma variação percentual média de 33% entre as frações de 0% e 60%

de argila expandida e que quanto maior a porcentagem de argila expandida menor é

a densidade volumétrica, fato esperado pela baixa densidade volumétrica do

agregado.


volumétrica dos compósitos.

0,100,050,00-0,05-0,10

99

95

90

80

70

6050

40

30

20

10

5

1


Resíduos

Porc

enta

gem

6040200

1,6

1,5

1,4

1,3

1,2


Méd

ia d

a D

ensi

dade

Vol

umét

rica

(g/c

m³)

33%

61

A Figura 4. 16 mostra o gráfico de efeito do fator principal “concentração

molar de NaOH” na variável resposta densidade volumétrica. Nela é possível

observar a variação percentual média entre os valores de concentração molar de

4,4%. Os maiores valores médios encontrados nas condições fabricadas com

solução de 12 mols pode ser atribuídos à maior quantidade de NaOH adicionada.

Para a solução de 8 mols foram utilizados 323,20 gramas de NaOH por litro,

enquanto que para a solução de 12 mols 484,81 gramas por litro.



4.1.4.2 Densidade Volumétrica – Volume calculado geometricamente

A média da densidade volumétrica dos compósitos variou entre 1,18 g/cm³ e

1,78 g/cm³. Os fatores principais “fração mássica argila expandida” e “concentração

molar de NaOH” foram estatisticamente significativos com P-valores de 0,000 e

0,001; respectivamente (Ver Tabela 4. 1). O valor de R² encontrado foi de 98,26%, o

que indica uma qualidade de ajuste satisfatória. É possível observar na Figura 4.21 o

gráfico de probabilidade normal de resíduos para a medida da densidade

volumétrica. O P-valor de 0,183 confirma a normalidade dos resíduos.

128

1,6

1,5

1,4

1,3

1,2

Concentração Molar NaOH (m/l)

Méd

ia d

a D

ensi

dade

Vol

umét

rica

(g/c

m³)

4,4%

62


densidade volumétrica. (volume calculado geometricamente)

A Figura 4.18 exibe o gráfico de efeito do fator principal “fração de argila

expandida” sobre a densidade volumétrica dos compósitos. Houve uma variação de

41% no valor médio da densidade volumétrica dos compósitos fabricados com 0% e

60% de argila expandida. Nota-se um decréscimo da densidade com o aumento da

fração de argila expandida.

Figura 4.18 - Efeito da fração de argila expandida na média da densidade

volumétrica dos compósitos. (volume calculado geometricamente)

0,080,060,040,020,00-0,02-0,04-0,06-0,08

99

95

90

80

70

6050

40

30

20

10

5

1


Resíduos

Porc

enta

gem

6040200

1,7

1,6

1,5

1,4

1,3

1,2

Fração Mássica de Argila Expandida (%)

Méd

ia d

a D

ensi

dade

Vol

umèt

rica

(g/c

m³)

41%

63

O gráfico exibido na Figura 4.19 mostra o efeito do fator principal

“concentração molar de NaOH” na densidade volumétrica. Apesar da significância

estatística, a concentração molar influenciou pouco na densidade, apenas 4,3% de

diferença entre as condições com 8 e 12 mols.

As justificativas para o comportamento da densidade volumétrica são as

mesma apresentadas tópico 4.1.4.1 por se tratar da mesma variável resposta, o que

difere é somente a técnica de obtenção do volume.

Figura 4.19 - Efeito da concentração molar de NaOH na média da densidade

volumétrica dos compósitos. (volume calculado geometricamente)

4.1.5 Densidade Aparente

Os valores médios da densidade aparente variaram entre 1,39 g/cm³ e 2,05

g/cm³. O fator principal “fração mássica de argila expandida” exerceu um efeito

significativo sobre a densidade aparente, pois o seu P-valor, exibido na Tabela 4. 1,

foi nulo. Os outros fatores principais, “tamanho da argila expandida” e “concentração

molar” tiveram P-valores de 0,072 e 0,505; respectivamente, o que evidencia a não

influência dos mesmos na variável resposta em questão. O valor de R² foi de

92,92%, o que comprova um ajuste adequado dos dados. A Figura 4.20 exibe o

gráfico de probabilidade normal de resíduos para a medida da densidade aparente,

fica evidente a normalidade dos resíduos pelo P-valor de 0,296.

128

1,7

1,6

1,5

1,4

1,3

1,2

Concentração Molar de NaOH

Méd

ia d

a D

ensi

dade

Vol

umét

rica

(g/c

m³)

4,3%

64


densidade aparente

A Figura 4.21 exibe o gráfico de efeito do fator principal “fração mássica de

argila expandida” sobre a densidade aparente. Há uma variação de 40% entre os

valores médios para 0% e 60%, fica evidente o decréscimo da densidade aparente

com o aumento da fração de argila expandida. Isso se deve a baixa densidade

aparente da argila expandida adicionada.



0,150,100,050,00-0,05-0,10-0,15

99

95

90

80

70

6050

40

30

20

10

5

1


Resíduos

Porc

enta

gem

6040200

2,0

1,9

1,8

1,7

1,6

1,5

1,4


Méd

ia d

a D

ensi

dade

Apa

rent

e (g

/cm

³)

40%

65

4.1.6 Porosidade e absorção de água

Os valores dos resíduos da porosidade aparente e da absorção de água não

apresentaram distribuição normal, não sendo possível a validação do modelo

ANOVA para a análise dessas variáveis reposta. Os resultados para todas as

condições exibiram altos desvios padrões como pode ser observado nos gráficos da

Figura 4. 22. Essa grande variação dos resultados pode ser devido à não

uniformidade da superfície das argilas expandidas, pois nem todas estavam intactas,

expondo assim o seu interior esponjoso.

Figura 4. 22 – (a) Média da porosidade de todas as condições; (b) Média da

Absorção de água de todas as condições.

4.2 Espectroscopia de infravermelho

Pode ser observado na Figura 4.23 e Figura 4.24 a espectroscopia de

infravermelho do metacaulim e das matrizes geopoliméricas feitas com solução de

NaOH 12 mols e 8 mols respectivamente. As bandas largas em 3458 cm-1/3444 cm-1

e 1653 cm-1/1652 cm-1 presentes são referentes à água atmosférica adsorvida. No

metacaulim é possível identificar a vibração de alongamento Si-O-T (T pode ser Al

ou Si) em 1035 cm-1, em 802 cm-1 a vibração de Si-O-T e em 471 cm-1 a vibração de

flexão Si-O.

A geopolimerização é confirmada pelo deslocamento da banda Si-O-T em

1035 cm-1 para um número de onda menor 1008 cm-1/1007 cm-1 o que indica a

66

formação de novas estruturas. Esse comportamento é explicado pela substituição da

SiO4 tetraédrica pela AlO4 tetraédrica, mudando o local do ambiente químico das

unidades de Si-O e reduzindo sua energia de ligação. A banda correspondente a Si-

O-Al em 802 cm-1 foi substituída por várias bandas 723 cm-1/718 cm-1 e 550 cm-1,

indicando o rompimento do ambiente do Al pelo processo de geopolimerização

(RASOULI, 2015). As bandas de 1453 cm-1 e 1376 cm-1 presentes nas matrizes

feitas com solução de 12 e 8 mols de NaOH indicam a presença de carbonato de

sódio Na2CO3 formado pelo excesso de NaOH na superfície. (BARBOSA et al,

2000).


matrizes geopoliméricas feitas com solução de NaOH 12 mols.

67

Figura 4.24 - Espectroscopia de infravermelho do metacaulim e das condições com

matrizes geopoliméricas feitas com solução de NaOH 8 mols.

4.3 Difração de raios X

As Figura 4.25 e Figura 4.26 apresentam os difratogramas de raios X das

matrizes geopoliméricas feitas com 8 e 12 mols de NaOH e o material precursor

metacaulim. Para ambas molaridades é possível observar que o alo presente no

metacaulim entre 14° e 37° sofre um alargamento e deslocamento para a direita.

Essa mudança indica a formação de uma nova fase amorfa na matriz geopolimérica

(OZER e SOYER-UZUN, 2015). Embora essa mudança na corcunda seja típica na

geopolimerização, os difratogramas de raios x não fornecem informações detalhadas

sobre o ordenamento atômico que ocorre entre o alumínio e o silício em

geopolímeros.

É possível observar também na Figura 4.25 e na Figura 4.26 que algumas

fases cristalinas contidas no metacaulim também apareceram nas matrizes

geopoliméricas, como quartzo e Muscovita, levando a conclusão de que essas fases

não participaram da reação de geopolimerização. Por outro lado, há o

enfraquecimento de outros picos comprovando a participação dessas fases no

processo.

68


solução de NaOH 8 mols. (Md = Muscovita, Q = Quartzo e HS = Hidroxisodalita).


solução de NaOH 12 mols. (Md = Muscovita, Q = Quartzo e HS = Hidroxisodalita).

69

O difratograma das condições C9 e C13 (Ver Figura 4. 25) apresentam picos

por volta de 40°, a presença desses picos pode ser atribuída ao quartzo vindo da

argila expandida que contaminou o material da matriz no momento da extração para

os testes. Para a identificação das substâncias referentes a cada pico foram

utilizados os trabalhos de Lancellotti et al. (2013) e Moraiva et al. (2006).

4.4 Análise microestrutural

Foi analisada a morfologia da microestrutura das fases matriz, dispersa, e

também da interface entre elas através das técnicas de microscopia eletrônica de

varredura e espectroscopia de energia dispersiva. As imagens foram separadas por

molaridade da solução de NaOH. As micrografias exibidas nas Figura 4. 27 até a

Figura 4. 30 são referentes aos compósitos fabricados com solução de NaOH de 8

mols e as Figura 4. 31 até a Figura 4. 34 são referentes aos fabricados com solução

de NaOH de 12 mols.


aumento 1000x, (c) C3 aumento 500x, (d) C3 aumento 1000x.

70





71





72





73



Não foi observada uma diferença morfológica entre as microestruturas das

matrizes em todas as condições. A pasta geopolimérica aderiu bem à argila

expandida formando uma interface de qualidade, principalmente nas argilas

expandidas do tipo A, que por não apresentam o encapado, característica que só se

mantem com a argila expandida integra. É possível observar também uma grande

variação no tamanho dos poros e vazios das argilas expandidas, fator que tem

grande influência sobre todas as variáveis resposta estudadas neste trabalho. Isto

explica parte da variabilidade dos dados obtidos.

Nas Figura 4. 28 (c); Figura 4. 29 (d); Figura 4. 30 (c) e (d); e Figura 4. 34 (c)

e (d) nota-se a presença de trincas que percorrem a matriz geopolimérica e

adentram pela argila expandida. Esse comportamento mostra a qualidade da

interface e também a baixa resistência mecânica do agregado em comparação à

matriz.

Através da espectroscopia de energia dispersiva realizada foi possível

analisar a constituição atômica superficial da matriz. Os gráficos da Figura 4. 35 e

Figura 4. 36 exibem a porcentagem atômica superficial dos principais elementos

constituintes do geopolímero e a razão Na/Al e Si/Al de todas as condições

fabricadas.

74

Figura 4. 35 - Porcentagem atômica superficial das matrizes geopoliméricas: (a)

Condições com solução NaOH 8 mols (b) Condições com solução NaOH 12 mols

Figura 4. 36 - Razão Na/Al e Si/Al: (a) Condições com solução NaOH 8 mols (b)

Condições com solução NaOH 12 mols

Não ouve diferença discrepante na constituição atômica e nas razões de

Na/Al e Si/Al entre todas as condições fabricadas com diferentes molaridades de

NaOH.. A razão de Si/Al varia em torno de 1,5; portanto não é possível confirmar

qual tipo de estrutura é predominante no geopolímero, Poli-sialato (Si/Al=1) ou Poli-

sialato-siloxo (Si/Al=2). Já a razão Na/Al gira em torno de 1 para todas as condições,

esse resultado já era esperado devido ao balanceamento da carga negativa do Al-

em número de coordenação IV pelo íon de Na+.

75

CAPÍTULO 5

CONCLUSÕES

Através do planejamento proposto, análise estatística, observações durante a

fabricação das amostras e análise dos resultados quantitativos foi possível obter as

seguintes conclusões:

Dentre todos os fatores principais analisados, a fração mássica de argila

expandida foi o fator que mais influenciou nos valores médios dos resultados das

variáveis respostas avaliadas, chegando a 133% na resistência à compressão e

83% na resistência específica das condições fabricadas com argila expandida do

tipo A, 17% na velocidade de pulso ultrassônico, 41% na densidade volumétrica e

40% na densidade aparente.

Contrário ao esperado, a resistência à compressão não foi afetada pela

concentração molar de NaOH. Porém durante a fabricação dos corpos de prova

notou-se um menor tempo de cura e maior temperatura nos corpos de prova com 12

mols de NaOH.

O processo de geopolimerização foi confirmado pela espectroscopia de

infravermelho e as mudanças de fase pela difração de raios X.

Tento como objetivo um equilíbrio dentre todas as variáveis respostas, a fração

de argila expandida de 40% mostra ser a ideal para o tipo de compósito fabricado.

Para obter compósitos com maiores valores de resistência específica sugere-

se usar agregados com densidade menor do que da argila expandida.

76

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FABRICAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITO DE … · Agradeço a Deus pela dádiva da vida e por...

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