As cinzas volantes geradas por usinas elétricas a carvão são uma dor de cabeça ambiental, criando água subterrânea e poluição do ar a partir de grandes aterros e barragens de cinzas. Alguns dos produtos residuais podem ser reaproveitados em concreto geopolimérico, tais como elementos pré-moldados curados por calor para estruturas.

Contudo, um problema crítico de durabilidade tem sido a baixa resistência ao ataque alcalino extremo. Pesquisadores da Universidade de Joanesburgo descobriram que o tratamento térmico de alta temperatura (HTHT) pode reduzir pela metade esse mecanismo prejudicial no concreto de geopolímero de cinzas volantes.

"Em um estudo anterior, descobrimos que o concreto de geopolímero de cinza volante pode ser vulnerável sob condições alcalinas extremas. A recomendação do estudo foi que este material não deveria ser empregado em estruturas expostas a meios altamente alcalinos, como algumas instalações de armazenamento de produtos químicos. Os resultados de nosso novo estudo mostram que a resistência alcalina do concreto geopolimérico pode ser significativamente melhorada, expondo-o a uma temperatura avaliada, idealmente 200 graus Celsius, "diz o Dr. Abdolhossein Naghizadeh.

O estudo faz parte da pesquisa de doutorado de Naghizadeh no Departamento de Ciências da Engenharia Civil da Universidade de Joanesburgo.

Meio alcalino extremo

Na pesquisa publicada em Estudos de caso em materiais de construção , blocos de argamassas de geopolímero de cinzas volantes foram curadas por calor a 100, 200, 400 ou 600 graus Celsius por seis horas. Estes foram então imersos em água, um meio alcalino médio ou um meio alcalino extremo; e armazenado a 80 graus Celsius por 14 dias ou 28 dias, dependendo da medição de desempenho.

A cura por calor prolongada por 28 dias foi realizada para comparar os resultados com os obtidos pelos outros estudos, que empregou o mesmo regime de cura. Esta cura de longo prazo é adequada para fins de pesquisa, mas não recomendado para construção real. O meio alcalino médio era uma solução de NaOH 1M. O meio extremamente alcalino era uma solução de NaOH 3M.)

"Os blocos endurecidos curaram termicamente a 200 graus, e então imerso no meio alcalino extremo (os blocos "200 / 3M"), manteve cerca de 50% da resistência residual a 22,6 MPa após o ataque do álcali. Os blocos curados por calor nas outras temperaturas mantiveram resistências residuais muito mais baixas em 10,3 a 14,6 MPa, "diz Naghizadeh.

"Os blocos 200 / 3M imersos em meio alcalino extremo exibiram apenas rachaduras finas limitadas, indicando baixa expansão em comparação com os outros, que apresentou rachaduras severas. A lixiviação de silicone e alumínio foi mais baixa para os blocos 200 / 3M.

"A difração de raios-X mostrou que os minerais cristalinos, albita e silimanita, formado na fase ligante de blocos 200 / 3M. As imagens do microscópio eletrônico de varredura dos ligantes 200 / 3M mostram a presença de uma substância semelhante a um gel, característica do ataque alcalino. A cura por calor reduziu significativamente a intensidade do ataque, mas não conseguiu evitar, " ele diz.

"O tratamento térmico de alta temperatura (HTHT) a 200 graus criou esse efeito ao inibir a dissolução de partículas de cinzas volantes que não reagiram dentro da matriz de concreto geopolimérico endurecido. No entanto, o HTHT também reduziu a resistência à compressão desses blocos em 26,7%. "

Melhor usado como pré-fabricado

Os aglutinantes de geopolímero de cinza volante exibem propriedades de durabilidade notáveis. Entre eles estão a alta resistência à reação álcali-sílica, resistência superior a ácidos e alta resistência ao fogo, baixa carbonatação e ataque de sulfato limitado, diz Naghizadeh. O cimento geopolimérico de cinza volante é adequado principalmente para concreto pré-moldado fabricado em uma fábrica ou oficina. A razão é que o desenvolvimento de resistência em misturas de cimento geopolimérico é geralmente lento sob a temperatura ambiente.

Isso torna a cura por calor necessária ou essencial para o ganho inicial de força. Os métodos práticos estabelecidos para a cura térmica do cimento Portland comum pré-moldado (OPC) podem ser adaptados para isso.

Isso torna os geopolímeros de cinza volante adequados para elementos de concreto pré-moldado, como vigas ou vigas para edifícios e pontes, travessas ferroviárias, painéis de parede, lajes alveolares, e tubos de concreto. Para concreto de geopolímero de cinza volante regular, um período de 24 horas de aquecimento de 60 a 80 graus Celsius seria o suficiente para obter resistência suficiente. Este regime de cura (temperatura e duração) é comum na indústria de cimento, que também é usado para alguns concretos de cimento Portland.

Embora o uso de cimento geopolimérico esteja crescendo a cada ano, não é amplamente utilizado em comparação com OPC. O geopolímero tem sido empregado como aglutinante em estruturas residenciais, pontes, e pistas principalmente em países europeus, China, Austrália, e os EUA.

Um cimento de última geração

Desde meados do século 18, OPC tem sido amplamente utilizado para produzir concreto. Seu desempenho de durabilidade é bem conhecido e seu comportamento a longo prazo pode ser previsto. Contudo, uma nova geração de cimento está surgindo como uma alternativa adequada ao OPC em certas aplicações. Esses cimentos geopoliméricos (ou ligantes geopoliméricos) têm natureza e microestrutura totalmente diferentes do OPC.

Um material de partida usado para aglutinante de geopolímero precisa ser rico em alumina e conteúdo de silicato. Neste critério, resíduos industriais múltiplos ou subprodutos qualificam, incluindo cinza de casca de arroz, cinzas de óleo de palma e cinzas volantes de usinas de carvão. Contudo, a cinza volante tem duas vantagens para uso como cimento geopolimérico, diz Naghizadeh.

Em primeiro lugar, as cinzas volantes estão disponíveis em milhões de toneladas globalmente, inclusive em países em desenvolvimento. O reaproveitamento das cinzas volantes como material de construção pode reduzir potencialmente alguns de seus impactos ambientais. Atualmente, é descartado em grandes barragens de cinzas e aterros próximos a usinas termelétricas a carvão, que geram poluição do ar e das águas subterrâneas.

A segunda vantagem das cinzas volantes como matéria-prima para o cimento geopolimérico é a sua composição química. Tipicamente, a cinza volante é rica o suficiente em óxidos reativos de silício e alumínio, o que resulta em uma melhor geopolimerização.

Isso, por sua vez, produz um aglutinante com mecânica superior, propriedades físicas e de durabilidade em comparação com os concretos geopoliméricos feitos com outros produtos residuais contendo silicatos de alumino.

Design de mistura mais complexo

Ao projetar uma construção, o engenheiro precisa garantir que o concreto usado na estrutura terá a resistência esperada para a vida útil. Contudo, as propriedades físicas e mecânicas do concreto e outros materiais de construção podem mudar com o tempo. Essas mudanças podem influenciar o desempenho do material ao longo da vida útil da construção.

Geralmente, uma mistura de concreto OPC inclui cimento, água e agregado. O engenheiro civil desenvolve um projeto de mistura OPC usando proporções específicas desses três ingredientes para a estrutura pretendida.

"Para concreto geopolimérico à base de cinza volante ativado por silicato de sódio e hidróxido de sódio, o design da mistura é mais complexo do que para OPC, "diz Naghizadeh." Mais parâmetros estão envolvidos:a quantidade de cinzas volantes, silicato de sódio, hidróxido de sódio, agua, e agregado; bem como a concentração de hidróxido de sódio; a proporção e a qualidade do vidro no álcali. "

Cinzas volantes de represas de cinzas

Na África do Sul, a pesquisa sobre o uso de cinzas volantes como cimento geopolimérico é limitada, diz o Prof Stephen Ekolu. Ekolu é co-autor do estudo e ex-chefe da Escola de Engenharia Civil e Ambiente Construído da Universidade de Joanesburgo.

"A pesquisa existente sobre concreto de geopolímero de cinzas volantes usa cinzas volantes fornecidas diretamente de usinas de energia. Mais pesquisas são necessárias sobre o uso de cinzas volantes de aterros e represas de cinzas, tecnicamente conhecido como "cinza inferior" para produzir cimento geopolimérico.

"As maiores questões de pesquisa são questões de qualidade do material, design de mistura, e desenvolver a tecnologia para permitir a cura em condições ambientais, em vez da prática atual de cura em temperaturas elevadas. Assim que essas três questões científicas forem resolvidas, As cinzas volantes e, na verdade, a maioria das outras formas de cimentos de geopolímero podem ser melhor colocados como substitutos OPC em todo o mundo, "diz Ekolu.

Não é um extensor concreto

Atualmente, uma pequena quantidade de cinzas volantes é usada como um extensor de cimento comum. Na África do Sul, esse montante é de 10% das 36 milhões de toneladas produzidas anualmente. É misturado com clínquer para produzir cimento Portland Pozolânico (PPC).

Embora as cinzas volantes sejam usadas como um extensor OPC comum, O concreto geopolimérico à base de cinzas volantes (FA-GC) não é combinado com o concreto à base de OPC.

A razão é que o processo de hidratação do OPC é completamente diferente da reação de geopolimerização do FA-GC. Também, O concreto à base de OPC e o concreto geopolimérico requerem, cada um, uma condição de cura diferente.

Produção diferente de OPC

As principais fases da produção de OPC são os processos de calcinação e moagem. Ao contrário do OPC, a produção de geopolímero não requer essas fases. Os aglutinantes de geopolímero à base de cinza volante consistem em dois componentes:a cinza volante e um ativador alcalino. Usualmente, a cinza volante é usada conforme produzida na estação de energia, sem necessidade de tratamento posterior.

Soluções de ativadores alcalinos, como silicato de sódio e hidróxido de sódio, também são amplamente produzidas na indústria. Eles são usados ​​para vários fins, como detergentes e produção de têxteis.

Concreto "mais verde"

"A durabilidade de longo prazo do cimento geopolimérico sob diferentes condições ambientais precisa de mais pesquisas. a indústria da construção global carece de conhecimento técnico da produção de geopolímeros. Para empregar ligantes de geopolímero, engenheiros, técnicos e trabalhadores da construção precisam de treinamento para projetar e produzir projetos de mistura de concreto de geopolímero com as propriedades necessárias, "diz Naghizadeh.

“Não há dúvida de que a produção de cimento Portland precisa ser limitada no futuro, devido aos seus enormes impactos ambientais. Isso inclui cerca de 5 a 8% das emissões antropogênicas globais de dióxido de carbono para a atmosfera, que contribui para a mudança climática, "diz Ekolu.

Vários estudos, incluindo os da Universidade de Joanesburgo, have shown that fly ash geopolymer can exhibit superior or similar properties to Portland cement. This makes it a suitable alternative to replace Portland cement in certain applications.

Além disso, the availability of fly ash worldwide, especially in developing countries, provides an opportunity to produce more economic concrete "greener" than Ordinary Portland cement from the viewpoint of potential repurposing of a problematic waste product.