Geopolímero a partir de Metacaulim

O documento inicia apresentando os geopolímeros como uma alternativa aos materiais tradicionais à base de cimento, como o cimento Portland. Sua utilização já é realidade na Austrália, Canadá e Europa em diversas aplicações, incluindo dormentes de ferrovia, painéis pré-fabricados, blocos refratários, reparos de rodovias e obras de infraestrutura (Sonafrank, 2010). Além disso, são empregados em cimentos para reparos estruturais, cimentação de poços de petróleo e contenção de resíduos tóxicos. A produção dos geopolímeros envolve materiais ricos em sílica e alumina em solução alcalina, resultando em um material com rápido endurecimento devido ao processo de geopolimerização. Suas principais características incluem boa resistência mecânica, ao fogo e a substâncias ácidas, além de baixa condutividade térmica (Turner; Collins, 2013; Labrincha et al., 2013). A pesquisa se concentra na investigação de uma pasta geopolímerica a partir de metacaulim e hidróxido de sódio (NaOH) como ativador alcalino, buscando substituir o cimento Portland.

O texto descreve a formulação original dos geopolímeros em 1978, utilizando fontes amorfas de SiO2 e Al2O3 e uma solução alcalina ativadora. O nome "geopolímero" simboliza a semelhança com materiais geológicos e a química dos silicoaluminatos, originando os polissialatos (Si-O-Al) (Buchwald et al., 2005). É mencionado o trabalho de Davidovits, que, através de estudos químicos e mineralógicos, sugeriu que os blocos das pirâmides de Gizé foram feitos a partir da geopolimerização de calcário com hidróxido de sódio. A geopolimerização ocorre à temperatura ambiente ou ligeiramente elevada, em duas fases: lixiviação da matéria-prima de aluminossilicato em solução alcalina e posterior nucleação e condensação para formar um sólido aglutinante (Vassalo, 2013). O diferencial dos geopolímeros reside na matéria-prima, podendo ser obtida de materiais naturais ou resíduos industriais ricos em aluminossilicatos amorfos ou semicristalinos.

Comparativamente ao cimento Portland, os concretos geopoliméricos são mais caros (Torgal et al., 2005), principalmente devido ao custo dos ativadores alcalinos, que representam mais da metade do custo total. O texto destaca que os geopolímeros são conhecidos por diversos nomes, incluindo cerâmicas alcalinas, hidrocerâmicas, cimentos ativados alcalinamente e polímeros inorgânicos (Boca Santa, 2012). A pesquisa sobre geopolímeros ou polímeros inorgânicos busca materiais que contenham aluminossilicato em sua composição, tratados termicamente e com característica cimentícia após a cura. O metacaulim é apresentado como a principal matéria-prima neste estudo. Diversas fábricas ao redor do mundo (Estados Unidos, França, Alemanha, Nova Zelândia) já produzem esses ligantes de nova geração, com potencialidades mecânicas superiores ao cimento Portland (Wincret Designer Concrete Products Ltda).

A qualidade dos geopolímeros depende da sua composição química. O metacaulim, obtido a partir do tratamento térmico do caulim, é destacado como a matéria-prima principal devido às suas propriedades aluminossilicatadas. O processo de transformação do caulim em metacaulim aumenta sua reatividade, conferindo-lhe propriedades pozolânicas (Vassalo, 2013). O caulim, uma argila formada pela alteração de rochas, tem a caulinita como principal constituinte e suas propriedades (alvura, maciez, baixa condutividade elétrica, inércia e não abrasividade) o tornam atrativo para diversas aplicações, como na indústria de papel (Luz et al., 2009). A composição do metacaulim inclui aproximadamente 52% de SiO2 e 40% de Al2O3, além de impurezas como quartzo, feldspato, mica, gipsita e ferro (Nita, 2006). A produção de geopolímeros a partir de pozolanas ou resíduos industriais ricos em sílica e alumina representa uma alternativa economicamente viável e ambientalmente sustentável, com baixo consumo de energia e emissões reduzidas de CO2.

Para a inserção em larga escala na construção civil, são apontados desafios importantes na síntese e no uso das matérias-primas dos geopolímeros. O manuseio de soluções alcalinas corrosivas e viscosas dificulta a produção em massa. A reologia complexa, principalmente com o uso de sódio como alcalino, e a sensibilidade do sistema às proporções de silicatos (especialmente quando se utilizam resíduos industriais) também são pontos críticos. A quantidade de água na mistura precisa ser cuidadosamente controlada para evitar eflorescência e alta permeabilidade (Nematoollahi, 2015). O desenvolvimento de um material geopolimérico que possa ser misturado apenas com água, semelhante ao cimento Portland, é um dos principais desafios para a consolidação deste material na indústria.

O texto destaca a grande variedade de aplicações dos materiais geopoliméricos na construção civil. Sua utilização abrange desde materiais de construção e pavimentação até materiais resistentes ao fogo, artefatos de decoração e isolantes térmicos. São citadas aplicações em telhas de cerâmica, itens refratários resistentes a choque térmico, materiais de fundição e materiais compósitos para interiores de aeronaves e automóveis. Além disso, os geopolímeros podem servir como barreira de contenção para resíduos tóxicos e radioativos e como matéria-prima para a confecção de artes e decoração de patrimônio cultural (Davidovits, 2008). A escolha do material de origem e o tipo de geopolímero a ser produzido são fatores importantes a serem considerados (Boca Santa, 2012). Um ponto relevante é a concentração do ativador alcalino, com a maioria dos autores trabalhando com concentrações de NaOH na faixa de 5-16 mols (Olivia et al., 2008), sendo que o excesso pode formar carbonato de sódio em contato com o ar (Konmitsas et al., 2007).

O documento cita o uso de geopolímeros em pontes, pavimentação, tratamento de resíduos, hidráulica e engenharia subterrânea, destacando seu grande potencial de aplicação em diversos campos da sociedade civil. Um exemplo marcante é a rápida construção de aeroportos militares temporários na Arábia Saudita durante a Guerra do Golfo, utilizando o cimento Pyrament®, conhecido por sua alta resistência e desempenho (relatório Comando da Força Aérea dos EUA e Pyrament brochura). O Aeroporto de Brisbane (BWWA), na Austrália, é apresentado como um exemplo recente de aplicação em larga escala de concreto geopolimérico, utilizando cerca de 30.000 metros cúbicos e resultando na redução de mais de 6.600 toneladas de gás carbônico. As principais vantagens do uso de geopolímeros incluem a abundância de matéria-prima (utilizando pozolanas ou resíduos industriais), economia de energia e sustentabilidade ambiental, com emissões de CO2 insignificantes comparadas à produção de cimento Portland.

A seção aborda as características reológicas dos geopolímeros no estado fresco, focando na trabalhabilidade da pasta. No estado fresco, a pasta geopolimérica se apresenta como uma suspensão fluida, sendo a trabalhabilidade uma propriedade crucial, determinando a consistência e plasticidade adequadas para o processo de execução. Essa trabalhabilidade é influenciada pelo teor de água na mistura: quanto maior o teor, mais fácil o manuseio. A microestrutura do metacaulim também impacta, com partículas mais arredondadas e homogêneas facilitando a dispersão do geopolímero (Simões et al., 2012). A capacidade de retenção de água é importante para manter a mistura plástica durante o manuseio e garantir a resistência do cimento geopolimérico na fase endurecida. Um alto teor de ar antes da pega pode diminuir a resistência do material, tornando-o mais sujeito a agentes agressivos. A viscosidade dos geopolímeros, diferente de fluidos newtonianos, não varia com o aumento da taxa ou tensão cisalhante (Tanner, 1998), sendo descrita por relações matemáticas entre tensão aplicada e deformação, além de variações com o tempo (Montes, 2013). O texto diferencia fluidos newtonianos e não-newtonianos, e introduz os conceitos de viscosidade aparente, tensão de escoamento e a importância do tempo de pega na aplicação de pastas, argamassas e concretos (Pasuello, 2011).

O texto discute métodos de ensaio para determinar as propriedades reológicas, como a reometria rotacional em reômetros. Esses equipamentos permitem caracterizar simultaneamente a viscosidade e a tensão de escoamento, através do cisalhamento do fluido entre superfícies em rotação (Costa, 2006). Resultados de ensaios mostraram que a viscosidade plástica representou melhor a variação da concentração do ativador alcalino, enquanto a tensão de escoamento não apresentou uma influência tão clara. O aumento do teor de água diminuiu ambos os parâmetros reológicos (viscosidade e tensão de escoamento), reduzindo o atrito interno entre as partículas e aumentando a fluidez. As pastas geopoliméricas apresentaram valores de viscosidade próximos às pastas de cimento Portland comum (Banfill, 2003). Estudos com diferentes concentrações de NaOH (8M, 9M e 10M) mostraram que a molaridade afeta a viscosidade plástica, com concentrações mais altas (10M) favorecendo a formação de cadeias cristalinas e aumentando a viscosidade (Zhang, 2012). A tensão de escoamento, por outro lado, não apresentou uma tendência clara com a variação da molaridade.

A resistência à compressão é destacada como uma das principais propriedades mecânicas analisadas, fornecendo uma indicação geral da qualidade do geopolímero e sendo fundamental em cálculos estruturais. Amostras com 9M de NaOH apresentaram melhor desempenho em resistência à compressão, porém a relação sólido/líquido foi o parâmetro mais influente nessa propriedade. A análise de topografia mostrou uma menor densidade em amostras com 8M de NaOH comparadas às de 9M, com maior porosidade aberta e absorção de água. A resistência mecânica da formulação com 8M foi baixa (0 a 1 MPa). As propriedades físicas (densidade aparente, absorção de água e porosidade aberta) mostraram resultados próximos entre as formulações, considerando o desvio padrão, com uma leve tendência de diminuição da densidade aparente e aumento da absorção de água e porosidade com o aumento do teor de água, confirmando a relação inversa entre essas propriedades.

A caracterização física do metacaulim revelou um tamanho médio de partícula na ordem de 6,5 µm. Os óxidos de silício (SiO2) e alumínio (Al2O3) foram os mais representativos em sua composição, com suas porcentagens desempenhando um papel crucial no desenvolvimento da reação de geopolimerização (Zahariaki; Komnitsa, 2012). A redução do tamanho médio das partículas implica no aumento da área superficial e de contato, acelerando o processo de geopolimerização e, consequentemente, o desenvolvimento da resistência mecânica do material. A difração de raios-X indicou a presença de fases cristalinas, como caulinita (K), quartzo (Q) e mica (L). A existência dessas fases cristalinas indica que o metacaulim utilizado possui uma estrutura cristalina, implicando em um menor grau de reatividade. Esse comportamento influencia diretamente a trabalhabilidade no estado fresco e o desempenho do material endurecido, em termos de resistência mecânica e propriedades físicas.

O metacaulim apresenta em sua composição elementos essenciais para a produção de geopolímeros: aproximadamente 52% de SiO2 e 40% de Al2O3. Os 8% restantes são considerados impurezas, incluindo quartzo e outros argilominerais como feldspato, mica, gipsita, ferro e materiais orgânicos (Nita, 2006). A qualidade do geopolímero depende da química que o compõe, e o avanço da pesquisa buscou identificar aqueles com aluminossilicato em sua composição, tratados termicamente e com a característica de cimentação após a cura. O metacaulim se destaca como a principal matéria-prima nesse contexto, dada sua composição. O caulim, matéria-prima para a produção do metacaulim, é uma argila resultante da alteração de rochas amorfas e cristalinas, sendo a caulinita seu principal argilomineral constituinte (Boca Santa, 2012). As propriedades do caulim, como alvura, maciez, baixa condutividade elétrica, inércia e não abrasividade, o tornam atrativo para diversas aplicações, como no processo de produção de papel, onde atua como enchimento ou tinta de revestimento (Luz et al., 2009).