Síntese e caracterização de sistemas geopoliméricos à base de metacaulim submetidos a ciclos de altas temperaturas

Abstract

O estudo e desenvolvimento de geopolímeros têm despertado crescente interesse na comunidade científica e na indústria da construção devido ao seu potencial para diversas aplicações em situações específicas em que o cimento Portland pode não ser a melhor alternativa, como a exposição repetida à altas temperaturas. Um dos pontos ainda a ser explorado refere-se à ampla variedade de precursores utilizados na produção dos geopolímeros, que possuem diferentes disponibilidades, reatividades e custos a depender da localidade. Além disso, devido à falta de normas estabelecidas, os parâmetros de síntese para os geopolímeros variam de acordo com os materiais escolhidos para sua produção. Embora essa versatilidade permita que o ligante seja adaptado às condições locais, cada combinação de parâmetros, precursores e ativadores resulta em um material único, o que dificulta a replicação dos resultados de forma ampla em diferentes situações. Além disso, é necessário investigar o desempenho térmico dos geopolímeros em diferentes escalas: micro, meso e macro. No entanto, a maioria dos estudos realizados até o momento tem se concentrado em situações de aquecimento único, principalmente avaliando o comportamento dos geopolímeros em possíveis situações de incêndio. No entanto, para realmente avaliar a resistência a altas temperaturas e sua possível refratariedade, torna-se necessária a realização testes em vários ciclos de aquecimento, a fim de determinar se o material pode ser utilizado com segurança em condições de alta temperatura e estresse repetido. Nessa perspectiva, este estudo investigou o impacto da exposição de argamassas geopoliméricas a 10 ciclos térmicos a 400, 600, 800 e 1000°C. Formulações com diferentes condições de ativação foram selecionadas para estudo adicional, revelando que geopolímeros com maior teor de silicato apresentaram maior resistência mecânica. Após os ciclos, observou-se uma queda na densidade e aumento na absorção de água. As análises também demonstraram maiores perdas de massa à medida que a temperatura aumenta. No entanto, apesar das perdas de massa, a estabilidade térmica dos geopolímeros foi notável. Variação volumétrica, velocidade de pulso ultrassônico, termogravimetria, espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier e difração de raios-X também foram avaliadas, evidenciando comportamentos distintos das formulações em diferentes condições térmicas. Os resultados sugerem uma resiliência considerável das argamassas frente às condições térmicas adversas, destacando a importância do teor de água na resposta do material a altas temperaturas.

The study and development of geopolymers have aroused increasing interest in the scientific community and the construction industry due to their potential for various applications in specific situations where Portland cement may not be the best alternative, such as repeated exposure to high temperatures. One of the points yet to be explored concerns the wide variety of precursors used in the production of geopolymers, which have different availabilities, reactivities, and costs depending on the locality. Additionally, due to the lack of established standards, synthesis parameters for geopolymers vary depending on the materials chosen for their production. Although this versatility allows the binder to be adapted to local conditions, each combination of parameters, precursors, and activators results in a unique material, making it difficult to replicate results widely across different situations. Furthermore, it is necessary to investigate the thermal performance of geopolymers on different scales: micro, meso, and macro. However, most studies conducted so far have focused on single heating situations, mainly evaluating the behavior of geopolymers in potential fire situations. However, to truly assess resistance to high temperatures and potential refractoriness, it is necessary to conduct tests in multiple heating cycles to determine if the material can be safely used under high temperature and repeated stress conditions. In this perspective, this study investigated the impact of exposing geopolymers to 10 thermal cycles at 400°C, 600°C, 800°C, and 1000°C. Formulations with 15% and 20% activation were selected for further study, revealing that geopolymers with higher silicate content exhibited higher mechanical strength. After the cycles, a decrease in density and an increase in water absorption were observed. Analyses also demonstrated higher mass losses as temperature increases. However, despite mass losses, the thermal stability of geopolymers was remarkable. Volumetric variation, ultrasonic pulse velocity, thermogravimetry, Fourier-transform infrared spectroscopy, and X-ray diffraction were also evaluated, showing distinct behaviors of formulations under different thermal conditions. The results suggest considerable resilience of the mortars against adverse thermal conditions, highlighting the importance of water content in the material's response to high temperatures.