ESTUDO DO TEOR DE ATIVADOR NO DESEMPENHO DE CIMENTOS ÁLCALI ATIVADOS FEITOS COM ESCÓRIAS ÁCIDAS EM IDADES INICIAIS Langaro, E. A. b ; Moraes, M. C. a ; Buth, I. S. a ; Angulski da Luz, C. a, Matoski, A b . a Universidade Tecnológica Federal do Paraná, UTFPR, Pato Branco, Brasil; b Universidade Tecnológica Federal do Paraná, UTFPR, Curitiba, Brasil; [email protected]RESUMO Escórias geradas em alto fornos a coque, consideradas básicas, são empregadas como adição ao cimento Portland em teores de até 70% para obtenção de cimentos de alto forno (CPIII). Já escórias oriundas de fornos a carvão vegetal, consideradas ácidas, não encontram a mesma destinação. Entretanto, pesquisas recentes vêm mostrando que a ativação de escórias com soluções alcalinas para obtenção de cimentos álcali ativados (CAT’s), podem apresentar desempenho ig ual ou superior ao CPIII. Neste contexto, este trabalho visa avaliar o desempenho de escórias ácidas ativadas com diferentes teores de NaOH, em idades iniciais. O estudo também aborda a ativação da escória básica. As amostras foram submetidas a testes mecânicos e sua microestrutura investigada. Os resultados mecânicos mostraram que o CAT obtido com escória A obteve um desempenho superior àquele obtido com escória B. As análises de microestrutura confirmaram a presença do silicato de cálcio hidratado (CSH) como principal produto de hidratação. Palavras-chave: cimento álcali ativado, escória, silicato de cálcio hidratado. INTRODUÇÃO O cimento Portland (CP) despeja na atmosfera uma considerável quantidade de dióxido de carbono (CO2); em média, cerca de uma tonelada de CO2 é liberado por tonelada de cimento produzida, além de implicar na extração de 1,15 toneladas 60º Congresso Brasileiro de Cerâmica 15 a 18 de maio de 2016, Águas de Lindóia, SP 852
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ESTUDO DO TEOR DE ATIVADOR NO DESEMPENHO DE CIMENTOS ÁLCALI
ATIVADOS FEITOS COM ESCÓRIAS ÁCIDAS EM IDADES INICIAIS
Langaro, E. A.b; Moraes, M. C.a; Buth, I. S.a; Angulski da Luz, C.a, Matoski, Ab.
aUniversidade Tecnológica Federal do Paraná, UTFPR, Pato Branco, Brasil;
bUniversidade Tecnológica Federal do Paraná, UTFPR, Curitiba, Brasil;
Para a TG/DTG foi utilizado o equipamento da marca TA Instruments, modelo
SDT Q600. A faixa de aquecimento utilizada foi de 30°C a 900°C com fluxo de
aquecimento de 10°C min-1, porta amostra de α –alumina e atmosfera inerte de ar
sintético. As idades ensaiadas foram 3 e 7 dias.
Os dados de DRX foram coletados utilizando um equipamento da marca
Panalytical, modelo EMPYREAN com tubo de radiação Cu – Kα, (40 kV, 25 mA). As
amostras foram varridas com ângulo de 5°- 70° (2θ), comprimento de onda de 1,54
Ᾰ, passo de 0,02° sendo as intensidades registradas por 10s em cada passo. As
idades analisadas foram 3 e 7 dias.
Fragmentos de amostras foram também examinados por microscopia
eletrônica de varredura (MEV) aos 7 dias, utilizando o microscópio EVO MA 15. Para
a realização do ensaio, as amostras foram metalizadas com ouro a partir do
metalizador Quorun Q150RES.
RESULTADOS E DISCUSSÃO Resistência Mecânica
A Figura 2 apresenta os valores médios de resistência a compressão para as
argamassas confeccionadas com as escórias A e B ativadas com diferentes teores
de NaOH.
Figura 2 – Resistência à compressão dos corpos de prova de escória A e B ativadas com diferentes teores de NaOH
Os corpos de prova com escória A apresentaram resultados consideravelmente
superiores, atingindo valores próximos a 33 MPa, aos 7 dias, para o teor de 6%. Já
as argamassas confeccionadas com escória B tiveram valores de resistência à
compressão bem inferiores, não chegando a 10 Mpa aos 7 dias. Além disso, os
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teores de ativador não foram significativos para os CAT’s com escória B. Se
comparados aos valores exigidos na norma para CP de alto forno, os resultados
obtidos para a escória A ativada são ligeiramente superiores em ambas as idades,
sendo que o CPIII-40 exige aos 3 dias 12 MPa e aos 7 dias 23 MPa.
Com relação à composição química da matéria-prima, o componente Al2O3 tem
influência no desenvolvimento da reação inicial na presença de hidróxido de sódio
como ativador e o MgO tem influência positiva na resistência à compressão e na
porosidade da microestrutura (4)(5)(8). A escória B apresenta menor quantidade de
ambos os componentes em sua composição química, o que pode ter contribuído no
seu desempenho inferior.
Calor de hidratação
O calor de hidratação de cada composição (4,5 e 6% de NaOH) foi monitorada
por um período de 168 horas ou 7 dias de hidratação, para as pastas com escória A
e B ativadas. A Figura 3 representa as curvas de calor liberado e também de calor
total acumulado nas amostras.
Figura 3 - Curvas de calorimetria de condução das pastas de escória ácida (acima) e básica (abaixo)
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O primeiro pico observado na análise, aquele que ocorre já na mistura do
ativador com escória, corresponde a dissolução inicial da escória. A taxa de calor
liberado é alta devido à elevação do pH e da temperatura na mistura inicial. O
segundo período, entre o pico inicial e o segundo pico, é chamado de período de
indução, este apresenta baixo calor liberado e baixa reatividade. Já o segundo pico,
o qual é o principal pico ocorrido na análise, é considerado um período de enorme
reatividade, pois ocorre grande precipitação dos produtos hidratados e a formação
dos principais compostos; no caso o C-S-H e Hidrotalcita. Após esta etapa o material
entra no estágio final da hidratação, com baixa reatividade, porém com ganho de
resistência.
Nota-se que os cimentos com ambas as escórias apresentaram valores de
calor de hidratação acumulado semelhantes após os 7 dias, sendo que a escória A
apresentou valores ligeiramente superiores. Porém, as amostras com escória B
apresentaram picos de hidratação inicial mais elevados.
Os teores de ativador que apresentaram maior calor acumulado de hidratação
e também os maiores picos iniciais, foram de 5,0 % na escória A e 6,0% na escória
B.
Difração de Raio-x (DRX)
A Figura 4 representa os difratogramas obtidos para as pastas de escórias
ativadas com diferentes teores de NaOH.
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Figura 4 - Difratogramas das pastas de escória ácida (acima) e básica (abaixo) CSH – Silicato de cálcio hidratado; HT – hidrocalcita
Em todas as idades, o pico de C-S-H pode ser identificado em torno de 29°-
30° 2θ para ambas as escórias. Os difratogramas das pastas com escória A (7 dias)
tiveram alguns picos distintos em torno de 23° e 35° 2θ os quais podem ser
considerados picos referentes à fase hidrotalcita, porém a quantidade deste
composto é pequena, e por isso não pôde ser observada na idade de 3 dias e em
todos os teores de ativador. Já para as pastas com escória B, em todas as idades e
teores de ativador, puderam ser identificados os compostos CSH e hidrotalcita.
As amostras com escória B apresentam maior número de picos de hidrotalcita,
enquanto as amostras de escória A possuem picos mais definidos de CSH.
Também se observa o aumento da intensidade dos picos entre 3 e 7 dias, para
todas as amostras.
Análises Termogravimétricas (TG/DTG) Na Figura 5 pode-se visualizar as análises obtidas para as pastas de escória
ativadas com diferentes teores de NaOH aos 3 e 7 dias.
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Figura 5 - TG e DTG pastas de escória ácida (acima) e básica (abaixo) com
diferentes teores de NaOH
Em todas as idades foram identificados os picos de CSH (principal perda de
massa entre 50° e 200°C) e a fase hidrotalcita para ambas as escórias ativadas. A
fase hidrotalcita é caracterizada pelo início da decomposição em torno de 75°C e
final até 600°C, com pico máximo na faixa entre 300° e 400°C.
Foi identificada uma fase de carbonato (CaCO3) nas amostras de escória A
com 4, 5 e 6% de ativador para a idade de 7 dias. Ambas podem ser explicadas pelo
fato de as pastas terem sido confeccionadas anteriormente as demais, podendo ter
ocorrido a carbonatação do material devido ao tempo, uma vez que o ensaio foi
tardio.
Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
A análise de microscopia foi realizada aos 7 dias apenas. Na Figura 6 pode-se
observar as micrografias obtidas para as pastas com ambas as escórias ativadas
com o teor de 6% de NaOH.
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Figura 6 – Micrografias das amostras de escória A e escória B ativadas com 6% de
NaOH O principal composto hidratado (CSH) foi observado nas amostras com ambas
as escórias, porém ele se apresenta com uma estrutura diferente em cada uma
delas.
Na pasta de escória A ativada com 6% de NaOH, o CSH se apresenta com
estrutura mais cristalina que na pasta com escória B. Nesta, o composto aparece
com uma estrutura mais reticulada e em formas de favos. Taylor (1997)(11) observou
diferentes morfologias do CSH, sendo estas comparáveis as observadas na análise.
CONCLUSÕES
Os resultados mostraram o desempenho do cimento álcali ativado com escória
granulada de alto forno a carvão vegetal (A) e a coque (B) e diferentes teores de
NaOH em idades iniciais. O desempenho mecânico em ambas as idades (3 e 7 dias)
do CAT com escória A foi superior ao do CAT com escória B e também aos limites
impostos pela norma para CPIII, atingindo valores próximos aos 33 MPa aos 7 dias
com 6% de ativador. Com relação a resistência a compressão das amostras com
escória B, os teores de ativador pouco influenciaram no ganho de resistência e os
valores foram relativamente baixos. A composição química é o fator relevante no
desenvolvimento do CAT, sendo que a quantidade mais elevada dos componentes
Al2O3 e MgO podem ter contribuído para o melhor desempenho da escória A.
Para as análises de calorimetria, as pastas com escória A tiveram uma
liberação de calor ligeiramente superior as pastas com escória B ativadas. E neste
caso, para ambas as escórias, o teor de ativador teve influência. Sendo assim, o teor
de ativador apresenta influência na reatividade inicial do CAT.
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O composto CSH e hidrotalcita observados na análise de DRX também
puderam ser visualizados na análise térmica, além disso as micrografias obtidas
mostraram diferentes morfologias do CSH observado, o que permite afirmar que o
desenvolvimento deste composto é dependente da composição química da matéria-
prima.
Nas análises de DRX também foi possível observar que com o teor de 6% de
ativador em ambas as escórias, os picos tiveram maior intensidade que as demais
composições, evidenciando a influência do teor de ativador sobre a formação dos
compostos hidratados. Isso também ocorreu nas análises de calorimetria, TG e
DTG.
Contudo, com as análises realizadas alcançou-se o objetivo deste estudo, ao
verificar a influência do teor de ativador sobre o ganho de resistência mecânica,
evolução da microestrutura e nas fases hidratadas nos cimentos álcali ativados
confeccionados com escórias ácidas (A). Tendo em vista que esta matéria-prima é
normalmente descartada pela indústria cimenteira, devido a sua composição
química, os resultados obtidos foram superiores aos obtidos com a escória B, o que
leva a considerar como um descarte indevido, sendo que mais estudos devem ser
desenvolvidos neste contexto.
REFERÊNCIAS
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(2) SNIC, Sindicato Nacional da Indústria do Cimento. Resultados preliminares até dez. 2015. Rio de Janeiro. 1 p., 2015.
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(5) BEN HAHA, M.; LOTHENBACH, B.; LE SAOUT, G.; WINNEFELD, F. Influence of slag chemistry on the hydration of alkali-activated blast-furnace slag — Part II: Effect of Al2O3. Cement and Concrete Research, v.42, n.1, p.74–83, 2012.
(6) WANG, S. D.; SCRIVENER, K. L. Hydration products of alkali activated slag cement, Cement and Concrete Research, v.25, n.3, p.561–571, 1995.
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(7) PUERTAS, F.; FERNÁNDEZ-JIMÉNEZ, A.; BLANCO-VARELA, M. T. Pore solution in alkali-activated slag cement pastes. Relation to the composition and
structure of calcium silicate hydrate. Cement and Concrete Research, v.34, n.1, p.139–148, 2004.
(8) BEN HAHA, M.; LE SAOUT, G.; WINNEFELD, F.; LOTHENBACH, B. Influence of activator type on hydration kinetics, hydrate assemblage and microstructural development of alkali activated blast-furnace slags, Cement and Concrete Research,