Valorização de cinza de fundo por meio da síntese de ligantes geopoliméricos : otimização de traços em pasta e avaliação dos sistemas em argamassas

Abstract

Com o intuito de valorizar resíduos localmente disponíveis foi selecionada como principal matéria prima desta pesquisa, uma cinza de fundo proveniente da queima de carvão mineral para geração de energia em uma usina termoelétrica do Estado. Uma vez que este resíduo ainda não possui destinação que lhe agregue valor, o mesmo é amplamente utilizado no preenchimento de cavas de extração de carvão ou então permanece em bacias de sedimentação, criando assim um panorama suscetível a problemas ambientais além de gerar elevados custos para seu transporte. Neste âmbito surgem com grande destaque o desenvolvimento de ligantes álcali-ativados, dentre estes os geopolímeros, que por utilizarem diversos materiais provenientes de resíduos industriais na sua produção apresentam grande redução na emissão de CO2 e no consumo energético quando são comparados ao cimento Portland. Estes materiais consistem na ativação alcalina de aluminossilicatos amorfos (precursor), sendo estes na maioria das vezes resíduos ou subprodutos industriais. Sendo assim, o presente trabalho teve por objetivo otimizar traços, com base em cinza de fundo, para a produção de ligantes e argamassas geopoliméricas. O método experimental proposto se encontra dividido em diferentes fases subsequentes à seleção e caracterização das matérias primas: (1) síntese de sistemas geopoliméricos em pasta, (2) otimização dos geopolímeros em pasta e (3) produção de argamassas geopoliméricas com verificação das propriedades mecânicas e de absorção de água. A partir da análise dos resultados observou-se que o teor de Na2O = 15% com uma concentração de silicatos solúveis no ativador (expresso como a relação molar SiO2/Na2O) igual a 1 (sistema CF-15-1,0), se mostrou ideal para as misturas com cinza de fundo. A adição de silicatos solúveis propiciou um incremento de resistência aos sistemas produzidos no geral, atingindo em alguns casos o acréscimo de até 40% na resistência aos 28 dias. Quando avaliados diferentes tamanhos de partículas a partir do beneficiamento mecânico das cinzas, observou-se que um diâmetro médio de 7 μm é o mais adequado. Com relação aos sistemas binários e híbridos testados quando comparados aos seus referenciais moldados apenas com cinza de fundo, nenhuma combinação foi capaz de superar as resistências dos referenciais. Quando produzidas argamassas geopoliméricas a partir das combinações com outros resíduos (lodo de anodização do alumínio e catalizador de equilíbrio - resíduo proveniente do processo de craqueamento catalítico em leito fluidizado de frações pesadas do petróleo) e cimento Portland, houveram quedas na resistência à compressão de maneira generalizada. A argamassa utilizada como referência (CF-15-1,0) se mostrou a matriz mais densa e consequentemente atingiu o maior desempenho mecânico com menor absorção de água por capilaridade.

In order to valorise locally available residues, bottom ash (BA) from a thermo-electrical plant was selected as the main material within the project presented here. BA does not have any commercial value and normally it is used to refill old coal mines or it is disposed in extended basins increasing the environmental impact as well as the cost related to its transport. Also there exist convincing interests in the development of non-conventional binders, i.e. alkali-activated cements (geopolimers), which can be a feasible pathway to the valorization of different industrial wastes. When alkali-activated concrete is produced under optimal conditions, it can exhibits similar or even higher mechanical performance and durability when compared to traditional Portland cement concrete. These materials are based on aluminosilicate mineral (precursor) chemically activated by an alkaline solution (activator). Thus, this project is focused in the optimization dosage of bottom ash based geopolymers in pastes and the subsequent mortars production and assessment. Mechanical performance and some permeability properties of the developed geopolyemrs were assessed. The results showed that 15% of Na2O in respect to the bottom ash with 1,0 SiO2/Na2O molar ratio as activator produced more suitable geopolymeric paste. This material was used as a reference system for the development of the proposed project. Also mechanical treatement applied to the BA reduced x% the mean particle size obteining 7 μm and this improved up to ~95% the mechanical performance of the produced geopolymers. The inclusion of Portland cement as a secondary precursor did not have significant effect under the compressive strength when compared to the BA-based systems. Furthermore, the use of other sorces of aluminosilicates, such as aluminium anodizing sludge and spent fluid cracking catalyst, also did not presented any improvement in the analysed geopolimeric systems. BA-based systems activated at 15% of Na2O using an alkali activator solution with a Ms of 1.0 showed the lowest permability and higher mechanical performance.