Desenvolvimento de um ligante álcali-ativado produzido a partir de cal de casca de ovo e cinza de casca de arroz para aplicação em elementos pré-fabricados

Abstract

Cimentos álcali-ativados (AACs) vêm sendo pesquisados nos últimos anos e apontados como possíveis alternativas à utilização do cimento Portland, que tem na sua produção um alto impacto ambiental relacionado ao esgotamento de jazidas minerais e elevada emissão de CO2. AACs ainda podem ser produzidos a partir de resíduos e/ou subprodutos de diversos setores da economia. Um AAC produzido a partir de cinza de casca de arroz (RHA) e cal de casca de ovo (ESL), e ativados por NaOH e KOH foi desenvolvido na presente pesquisa. Um projeto composto de segunda ordem foi elaborado para avaliar a influência de parâmetros como relação ESL/RHA, teor de álcalis, relação água-ligante, temperatura de cura e tipo de ativador alcalino no desempenho mecânico do AAC proposto e obtenção da dosagem ótima. Estudos específicos ainda buscaram avaliar o efeito do tempo de cura térmica e do tempo de cura complementar à temperatura ambiente no desenvolvimento da UCS para o “ligante ótimo”, assim como o comportamento deste quando submetido a temperaturas elevadas. Por fim, o efeito de diferentes densidades de moldagem sobre o comportamento mecânico do “ligante ótimo” foi avaliado. Os resultados indicaram a relação ESL/RHA 30/70, 3% de teor de álcalis e temperatura de cura de 60°C como parâmetros ótimos, tendo a mistura atingido UCS de 18 MPa aos 3 dias de idade. Os resultados de XRD e FTIR mostram que a formação do gel C-S-H aumenta quando se aumenta a relação ESL/RHA até 30%, o teor de álcalis até 3% e a temperatura de cura até 60°C. Acima desses valores, a formação de C-S-H tende a diminuir. Os ligantes ativados por KOH obtiveram resultados de UCS em média 10% superiores aos ativados por NaOH. Após 2 horas de cura térmica o material já atinge 75% da resistência final e após 8 horas de cura térmica não há aumento significativo na UCS. Quando expostos a temperaturas elevadas, os ligantes ativados por NaOH não apresentaram perda de resistência, enquanto os ativados por KOH apresentaram queda de resistência a partir de 600°C, mas ainda preservando 63% de sua resistência inicial a 1000°C. Resultados de DRX e FTIR mostraram que o C-S-H se transformou em wollastonita após exposição a 800°C. Os resultados de UCS para a diferentes densidades de moldagem variaram entre 5 e 42 MPa, e apresentaram excelente correlação com o índice porosidade/teor volumétrico de ligante (π/Biv). Resultados de DRX e FTIR indicam que a densidade de moldagem não influencia na formação do gel C-S-H. Por fim, conclui-se que o ligante apresenta bom potencial apara aplicação em elementos pré-fabricados visto que atinge em apenas 8 horas resistências compatíveis às prescritas em normas de blocos com fins estruturais.

Alkali-activated cements (AACs) have been researched in recent years and pointed out as a possible alternative to Portland cement, whose production has a high environmental impact related to the depletion of mineral deposits and increased CO2 emissions. AACs can still be produced from waste and/or by-products from different sectors of the economy. An AAC produced from rice husk ash (RHA) and eggshell lime (ESL), and activated by NaOH and KOH was developed in the present research. A second-order composite design was carried out to evaluate the influence of parameters such as ESL/RHA ratio, alkali content, water-binder ratio, curing temperature and type of alkaline activator on the mechanical performance of the proposed AAC, and to obtain the optimal dosage. Specific studies also sought to evaluate the effect of thermal curing time and additional curing time at room temperature on the development of the UCS for the “optimal binder”, as well as its behavior when subjected to high temperature. Finally, the effect of different molding densities on the mechanical behavior of the “optimal binder” was evaluated. Results indicated the ESL/RHA 30/70 ratio, 3% alkali content, and curing temperature of 60°C as optimal parameters, with the mixture reaching UCS of 18 MPa at 3 days of age. XRD and FTIR results show that C-S-H gel formation increases when increasing ESL/RHA ratio up to 30%, alkaline content up to 3%, and curing temperature up to 60°C. Above these values, the formation of C-S-H tends to decrease. Binders activated by KOH obtained UCS results on average 10% higher than those activated by NaOH. When exposed to high temperatures, the binders activated by NaOH did not show loss of strength, while those activated by KOH showed a drop-in strength from 600°C but still preserved 63% of their initial strength at 1000°C. XRD and FTIR results showed that C-S-H transformed into wollastonite after exposure to 800°C. The UCS results for the different molding densities ranged between 6 and 42 MPa and showed an excellent correlation with the porosity/binder volumetric content index (η/Biv). DRX and FTIR results indicate that the molding density does not influence the formation of the C-S-H gel. Finally, it is concluded that the binder has good potential for application in precast elements since it reaches in just 8 hours resistance compatible with those prescribed in standards for structural blocks.