Efeito dos parâmetros de processamento no comportamento mecânico de ligantes geopoliméricos a base de metacaulinita

Abstract

Geopolímeros são materiais inorgânicos obtidos da solubilização de aluminossilicatos, como a metacaulinita, em soluções ativadoras de silicatos alcalinos, compostas por cátions alcalinos e ânions silicato. Esses materiais têm recebido crescente atenção como alternativas sustentáveis ao cimento Portland. No entanto, apesar dos avanços no entendimento das características químicas e reológicas, a influência do cisalhamento aplicado durante o processamento nas propriedades finais ainda requer estudos mais sistematizados, especialmente em condições próximas às industriais. O presente trabalho apresenta uma metodologia para a geopolimerização de metacaulinita em reômetro de torque e avalia o efeito da taxa de cisalhamento, do período de repouso e da temperatura sobre a reatividade e as propriedades mecânicas de ligantes geopoliméricos. Uma câmara de mistura equipada com rotores tipo roller e sigma foi operada entre 1 e 100 rpm para simular condições industriais. Foi proposta uma definição de taxa de cisalhamento característica, permitindo melhor diferenciação entre as condições de operação dos rotores. A cinética da geopolimerização foi monitorada por medições de torque, correlacionando tempo de reação, torque máximo e resistência à compressão. Os resultados indicaram que a padronização do período de repouso da solução ativadora por 24 h foi essencial para garantir reprodutibilidade, pois sua ausência gerou deslocamentos sistemáticos no tempo de onset, associados a diferentes estados estruturais iniciais, sem aumento significativo da dispersão intragrupo. A temperatura de 48 °C mostrouse suficiente para acelerar a reação e permitir o monitoramento reológico sem perda de material. Altos níveis de cisalhamento (50–100 rpm) reduziram o torque máximo, indicando ruptura da rede de gel em desenvolvimento. O período de repouso anterior à mistura influenciou significativamente a resistência à compressão, com desempenho ótimo em 10 minutos. Observou-se desacoplamento entre torque máximo e resistência mecânica final, sugerindo que o alto cisalhamento não compromete o desempenho quando a nucleação inicial do gel rico em alumínio (Gel 1) é assegurada. A metodologia desenvolvida oferece uma alternativa robusta e industrialmente relevante para avaliar a interação entre fatores reológicos e químicos na produção de geopolímeros em condições mais representativas das práticas industriais.

Geopolymers are inorganic materials obtained from the dissolution of aluminosilicates, such as metakaolinite, in alkaline silicate activating solutions composed of alkaline cations and silicate anions. These materials have received increasing attention as sustainable alternatives to Portland cement. However, despite advances in understanding their chemical and rheological characteristics, the influence of shear applied during processing on their final properties still requires more systematic investigation, particularly under conditions closer to industrial practice. This work presents a methodology for the geopolymerization of metakaolinite in a torque rheometer and evaluates the effects of shear rate, resting time, and temperature on the reactivity and mechanical properties of geopolymeric binders. A mixing chamber equipped with roller and sigma rotors was operated at speeds ranging from 1 to 100 rpm to simulate industrial conditions. A characteristic shear rate definition was proposed, enabling improved differentiation between the operating conditions of the two rotors. The geopolymerization kinetics were monitored through torque measurements, establishing correlations between reaction time, maximum torque, and compressive strength. The results indicated that standardizing the resting period of the activating solution to 24 h was essential to ensure reproducibility, as its absence led to systematic shifts in onset time associated with different initial structural states, without significantly increasing intragroup variability. A temperature of 48 °C was sufficient to accelerate the reaction while allowing rheological monitoring without material loss. High shear levels (50–100 rpm) reduced the maximum torque, indicating disruption of the developing gel network. The resting period prior to mixing significantly influenced the final compressive strength, with optimal performance observed at 10 minutes. A decoupling between maximum torque during processing and final mechanical strength was observed, suggesting that high shear does not impair performance when the initial nucleation of the aluminum-rich gel (Gel 1) is ensured. The methodology developed provides a robust and industrially relevant approach for evaluating the interaction between rheological and chemical factors in the production of geopolymers under conditions more representative of industrial practice.