Reologia e microestrutura de cimentos supersulfatados : efeitos do tipo e teor de sulfato de cálcio e da incorporação de hidropotássio (MPM)

Abstract

Cimentos com baixo teor ou isentos de clínquer, como os cimentos supersulfatados (CSS), despontam como alternativas promissoras diante do elevado impacto ambiental da indústria cimenteira, responsável por cerca de 8% das emissões globais de CO2. Apesar do potencial, ainda persistem lacunas relevantes na compreensão da cinética de hidratação e o comportamento reológico do CSS, especialmente quanto aos efeitos de tipo e teor de sulfatos ou na incorporação de materiais alternativos. Nesse contexto, o hidropotássio (MPM) apresenta característica favoráveis – composição química, pH e elevada capacidade de retenção de águaque o tornam candidato à aplicação em CSS. Este trabalho investiga primeiramente a influência do tipo (gipsita e anidrita) e teor de sulfato de cálcio (10, 15 e 20%) e posteriormente a incorporação de MPM no comportamento reológico e na cinética de hidratação de uma das formulações de CSS anteriores, produzida a partir de escória (80%), anidrita (15%) e clínquer (5%). O MPM foi incorporado como substituinte parcial do clínquer (50%), da escória (10 e 20%) ou de ambos. A pesquisa foi conduzida em pastas, que foram avaliadas por reometria rotacional (curvas de fluxo para obtenção de tensão de escoamento dinâmica, 𝜏0, e viscosidade equivalente, µeq) e reometria oscilatória (varredura de amplitude para módulos G’ e G’’ e limite elástico); calorimetria isotérmica, termogravimetria, FTIR e por resistência à compressão aos 28 dias. Os resultados evidenciaram que o tipo e o teor de sulfato de cálcio afetam de forma expressiva a reologia e hidratação em idades iniciais com tendências distintas: formulações contendo anidrita apresentaram maior liberação de calor e formação de produtos hidratados, além de maior trabalhabilidade comparado às formulações com gipsita. Esse comportamento é atribuído ao fornecimento mais gradual de íons SO4²⁻ e Ca²⁺ pela anidrita. Para o MPM, os resultados mostraram impacto direto na reologia das pastas, promovendo suspensões mais estáveis e com dispersão mais uniforme (predomínio de G” sobre G’ em faixas mais altas de deformação). O teor máximo estudado (22,5%) elevou a 𝜏0 dinâmica em 26 vezes e a µeq em aproximadamente 5 vezes frente ao sistema de referência. Na hidratação, o MPM promoveu dissolução contínua, favorecendo nucleação e crescimento de hidratos. As formulações contendo MPM apresentaram ganhos significativos de resistência à compressão em relação ao traço de referência, especialmente quando substituíram o clínquer (2,5% C) ou o clínquer e a escória (12,5% CE), resultando em um aumento de aproximadamente 59 e 31%, respectivamente. Esses resultados indicam que a incorporação controlada de MPM em sistemas com clínquer e escória favorece a cinética de hidratação e o desenvolvimento da resistência, demonstrando o potencial do MPM como substituinte parcial para aprimorar o desempenho de CSS.

Low-clinker or clinker-free binders, such as super sulfated cements (SSC), have emerged as promising alternatives in view of the high environmental impact of the cement industry, which is responsible for approximately 8% of global CO2 emissions. Despite this potential, significant knowledge gaps remain regarding the hydration kinetics and rheological behavior of SSC, particularly concerning the effects of the type and content of sulfate sources and the incorporation of alternative materials. In this context, hydropotassium (MPM) presents favorable characteristics—chemical composition, pH, and high water-retention capacity—that make it a potential candidate for application in SSC systems. This work first investigates the influence of the type (gypsum and anhydrite) and content of calcium sulfate (10, 15, and 20 wt.%) and subsequently the incorporation of MPM on the rheological behavior and hydration kinetics of one of the previously defined SSC formulations, produced from slag (80%), anhydrite (15%), and clinker (5%). MPM was incorporated as a partial replacement for clinker (50%), slag (10 and 20%), or both. The study was conducted on paste systems, which were evaluated through rotational rheometry (flow curves to determine dynamic yield stress, 𝜏0, and equivalent viscosity, μ_eq) and oscillatory rheometry (amplitude sweep to obtain the storage and loss moduli, G′ and G″, and the yield limit), as well as by isothermal calorimetry, thermogravimetry, FTIR, and compressive strength at 28 days. The results showed that the type and content of calcium sulfate significantly affect rheology and early-age hydration, exhibiting distinct trends. Formulations containing anhydrite presented higher heat release and greater formation of hydration products, as well as improved workability compared with gypsum-based formulations. This behavior is attributed to the more gradual supply of SO4²⁻ and Ca²⁺ ions provided by anhydrite. Regarding MPM incorporation, the results demonstrated a direct impact on the rheology of the pastes, promoting more stable suspensions with a more uniform particle dispersion (with G″ prevailing over G′ at higher strain ranges). The highest studied content (22.5 wt.%) increased the dynamic 𝜏0 by 26 times and μ_eq by approximately 5 times relative to the reference system. In terms of hydration, MPM promoted continuous dissolution, favoring the nucleation and growth of hydrates. Formulations containing MPM exhibited significant gains in compressive strength compared with the reference mix, particularly when replacing clinker (2.5% C) or both clinker and slag (12.5% CE), resulting in increases of approximately 59% and 31%, respectively. These results indicate that the controlled incorporation of MPM in clinker–slag systems enhance hydration kinetics and strength development, demonstrating the potential of MPM as a partial substitute to improve the performance of SSC.