Utilização de silicatos e aluminossilicatos sintetizados via processamento sol-gel para preparação e avaliação de geopolímeros com diferentes composições e concentrações de ativador alcalino
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Eduardo Henrique Martins Nunes
Dayana Cristina Silva Garcia
Péter Ludvig
Guilherme Jorge Brigolini Silva
Dayana Cristina Silva Garcia
Péter Ludvig
Guilherme Jorge Brigolini Silva
Resumo
Sílicas e aluminossilicatos com estrutura e composição controladas podem ser
utilizados para ajustar as propriedades estruturais dos geopolímeros. Este estudo
visou avaliar o efeito de duas sílicas e um aluminossilicato Al2O3.2SiO2 sintetizados
via processamento sol-gel na formação e nas propriedades estruturais de
geopolímeros. Inicialmente, geopolímeros com metacaulim foram preparados
substituindo 0%, 1%, 2% e 10% pelos materiais sol-gel. Dois subprodutos ricos em
sílica amorfa (cinza de casca de arroz e sílica ativa) foram usados para comparação.
Em seguida, geopolímeros à base do Al2O3.2SiO2 sol-gel puro foram estudados com
diferentes teores de ativador alcalino, adotando-se as amostras à base de
metacaulim como referência. Resultados mostraram que teores acima de 2% de
sílica sol-gel aumentaram a agregação de partículas e a retenção de solução
alcalina em seus poros internos, reduzindo a resistência à compressão dos
geopolímeros e agravando a sua eflorescência. O uso de 10% de Al2O3.2SiO2 solgel reduziu essa patologia em formulações menos porosas, sugerindo que as
estruturas secundárias de AlS inibem a difusão de Na+ na microestrutura
endurecida. As análises de MEV e as medidas de porosidade indicaram que as
estruturas derivadas do aluminossilicato sol-gel são mais porosas e leves que as
derivadas do metacaulim. Geopolímeros à base de Al2O3.2SiO2 puro apresentaram
resistência inferior a 10 MPa aos 3 dias, mas resistência aos 28 dias semelhante à
amostra de referência na formulação com maior teor de sódio. Entretanto, as
amostras à base do precursor sol-gel exibiram alta concentração de partículas não
reagidas e eflorescência similar às dos geopolímeros de referência. Esses
resultados sugeriram que precursores sol-gel podem melhorar das propriedades
estruturais e estabilidade dos geopolímeros visando aplicações estruturais. Ainda
assim, os materiais sol-gel parecem exigir maior teor de ativador alcalino para a
geopolimerização que o metacaulim, sendo necessário otimizar as formulações para
equilibrar o consumo de partículas sol-gel e a estabilidade química dos
geopolímeros.
Abstract
Silicas and aluminosilicates with controlled structure and composition can be used to
adjust the structural properties of geopolymers. This study aimed to evaluate the
effects of two types of silicas and one aluminosilicate Al2O3.2SiO2 synthesized via
sol-gel process on the formation and structural properties of geopolymers. First,
geopolymers based on metakaolin were prepared with 0%, 1%, 2%, and 10%
substitution by the sol-gel materials. Two by-products rich in amorphous silica (rice
husk ash and fumed silica) were used for comparison. Additionally, pure Al2O3.2SiO2-
based geopolymers were studied with varying levels of alkaline activator, using
metakaolin-based samples as a reference. Results showed that sol-gel silica
contents above 2% increased particle aggregation and alkaline solution retention in
their internal pores, reducing compressive strength and exacerbating efflorescence of
geopolymers. The use of 10% sol-gel Al2O3.2SiO2 mitigated this pathology in less
porous formulations, suggesting that secondary AlS structures inhibit Na+ cation
diffusion in the hardened microstructure. SEM and porosity analyses indicated that
Al2O3.2SiO2-derived structures were more porous and lighter than those from
metakaolin. Pure Al2O3.2SiO2-based geopolymers exhibited compressive strength
below 10 MPa at 3 days but achieved 28-day strength similar to the reference
sample in the formulation with higher sodium content. However, pure
Al2O3.2SiO2samples showed a high concentration of unreacted particles and
efflorescence levels comparable to the reference geopolymers. These results
suggest that sol-gel precursors could enhance the structural properties and stability
of geopolymers for structural applications. Still, sol-gel materials appear to require
higher alkaline activator content for geopolymerization compared to metakaolin,
necessitating optimized formulations to balance sol-gel particle consumption with the
chemical stability of the resulting geopolymers.
Assunto
Materiais, Ciência dos materiais, Silicatos, Silicato de alumínio, Geopolímeros, Processo sol-gel, Metacaulim
Palavras-chave
Geopolímeros, Eflorescência, Processamento sol-gel, Metacaulim, Sílica, Aluminossilicato