INCORPORAÇÃO DE FINOS DE ROCHA GRANÍTICA PARA PRODUÇÃO DE LIGANTES REFRATÁRIOS ÁLCALI ATIVADOS

Transcrição

1 INCORPORAÇÃO DE FINOS DE ROCHA GRANÍTICA PARA PRODUÇÃO DE LIGANTES REFRATÁRIOS ÁLCALI ATIVADOS Y. de S. Rezak a*, M. S. Cilla a Universidade Federal da Bahia/Laboratório de Ensaio em Durabilidade dos Materiais Rua Aristides Novis, 02. Federação, Salvador/BA, Brasil, CEP: *yrezak@gmail.com RESUMO Ligantes álcali ativados têm se tornado fonte de atenção de muitas pesquisas por serem materiais que podem ser produzidos a partir de diferentes resíduos de atividades industriais. Nesse sentido, o uso do fino de rocha granítica como matéria prima para a produção de tal material é uma alternativa para reduzir o impacto ambiental causado pela produção do agregado graúdo utilizado pela indústria da construção civil. As propriedades alcançadas por tais ligantes são diversas e, portanto, sua aplicabilidade é bastante alta, podendo ser usado inclusive em médias altas temperaturas. Foram estudados traços com diferentes proporções de fino de rocha granítica em adição ao metacaulim, porém mantendo a fase refratária final de interesse, a leucita. Foram moldados corpos de prova e submetidos aos ensaios de porosidade e densidade aparentes e sujeitos à queima. Foi possível observar a manutenção das características físicas sob médias altas temperaturas a partir de ensaios DRX e FTIR. Palavras chaves: fino de rocha granítica, metacaulim, álcali ativação, refratário. INTRODUÇÃO Concreto comum, tipicamente, contém cerca de 12% de cimento e 88% de agregados em massa. Isso significa que globalmente, para produção de concreto, estamos consumindo areia e brita numa taxa de 10 a 11 bilhões de toneladas todo ano (1). 1011

2 Durante a cominuição do agregado graúdo são usadas máquinas de grande porte para escavar as rochas e depois carregá-las até as esteiras transportadoras, onde são separadas de acordo com a granulometria por grelhas com diferentes aberturas. Nesse processo, as partículas finas de granito e a água utilizada para lavar o material se tornam uma suspensão (resíduo) contendo a fração mais fina do granito. Esse material é depositado e ao perder a sua água torna-se um resíduo de partículas extremamente finas, não biodegradável e que causa poluição e danos ambientais, além de causar prejuízo à saúde pública pelo fato de também poder ser inalado (2). É denominado nessa pesquisa de fino de granito aquele resíduo que possui granulometria inferior a 75µm e as características minerais da rocha matriz, o granito. Esse resíduo contém, portanto, uma grande quantidade de sílica e alumina na sua composição (3). O geopolímero é o nome dado a um novo tipo de material com propriedades de um ligante inorgânico. Ele é sintetizado a partir da mistura, em temperatura ambiente ou levemente elevada, de um pó reativo (precursor) de aluminossilicatos com um ativador alcalino contendo hidróxidos, silicatos, aluminatos, carbonatos, sulfatos ou uma combinação deles. O produto dessa reação é, principalmente, uma fase de aluminossilicatos em forma amorfa constituída a partir de tetraedros de sílica e alumina (4). Dessa maneira, pode-se inferir que os finos de granito possuem potencialidade para ser precursor de um geopolímero. Dependendo da seleção da matéria-prima e das condições de preparação, geopolímeros podem apresentar uma variedade de propriedades e características. Dentre as propriedades exibidas podem ser citadas maleabilidade, estabilidade em altas temperaturas e resistência a compressão e ataques químicos (5). MATERIAIS E MÉTODOS Como apresentado anteriormente, devido às suas características advindas da rocha matriz, o fino de granito foi um dos materiais precursores utilizados nessa pesquisa juntamente com o metacaulim. O fino de granito utilizado foi fornecido pela Pedreira Civil, localizada em Salvador (Bahia) e o metacaulim foi fornecido pela empresa Metacaulim do Brasil. Além disso, foram utilizados na pesquisa hidróxido e 1012

3 silicato de potássio comerciais das empresas Dinâmica Química Contemporânea Ltda e Unaprosil - Usina Nova América, respectivamente. Em um primeiro momento, foram caracterizados os precursores de maneira que se pudesse analisar as suas características físicas, químicas e mineralógicas, e assim, avaliar o seu potencial de geopolimerização. Os métodos seguidos para caracterização das matérias primas foram a medida de massa específica por picnometria a gás hélio, área superficial por Blaine, distribuição granulométrica por granulômetro à laser, análise química por FRX, análise mineralógica por DRX. A partir da caracterização das matérias primas foram desenvolvidos quatro traços (composições) distintos, respeitando as razões molares entre os óxidos majoritários segundo dados da literatura (6, 7). Tais composições são apresentadas na Tabela 1, sendo que para os traços 1 e 2 foi usado como ativador somente o hidróxido de potássio e para os traços 3 e 4 foi utilizado como ativador uma mistura de hidróxido e silicato de potássio. Foram utilizados corpos de prova prismáticos de dimensões 4x4x16cm e corpos de prova cônicos de dimensões 6x1,5cm. A solução ativadora era preparada com 24h de antecedência a mistura, sendo primeiro misturado o fino de granito com o metacaulim e posteriormente adicionada a solução e água. Os métodos adotados foram: análise de refratariedade por queima de corpos de provas cônicos à 1200ºC, medidas de densidade e porosidade aparente por princípio de Arquimedes com os corpos de prova prismáticos e ensaio de calorimetria. Tabela 1 - Traços desenvolvidos. Traços T1 T2 T3 T4 K2O/SiO2 0,27 0,27 0,32 0,28 SiO2/Al2O3 2,64 2,88 2,60 2,81 K2O/Al2O3 0,71 0,76 0,82 0,80 H2O/K2O 13,00 11,57 11,49 12,02 % FGC Para os corpos de prova que foram queimados foi realizada uma caracterização das fases presentes de maneira que se pudesse avaliar as alterações e os resultados obtidos após a queima. Após a queima, os quatro traços tiveram os corpos de prova moídos e peneirados de maneira que se obtivesse uma 1013

4 granulometria inferior à 75μm. Com o material nesse estado, foi realizada a caracterização das pastas por análise de espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e análise mineralógica por DRX. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tabela 2 apresenta os resultados obtidos quanto à caracterização física dos materiais utilizados como precursores no presente trabalho: o fino de granito da pedreira Civil (FGC) e o metacaulim (MK). Existe uma tendência que os materiais com maior área superficial tenham um diâmetro médio equivalente (D50) menor, já que serão mais finos. O fino de granito e o metacaulim, quando comparados, demonstram essa tendência. A perda ao fogo dos materiais não apresentou um valor muito expressivo, podendo ser associada, em particular para os finos, ao baixo teor de matéria orgânica, visto que esses são separados nas pedreiras ao ar livre e depositados sobre o solo. Tabela 2 - Resultados obtidos para caracterização física do material. Característica Fino de Granito Metacaulim Área Superficial Blaine (cm 2 /g) D 50 (mm) 0,019 0,016 Grau de Amorfização (%) 68,20 79,40 Massa Específica Picnometria a gás hélio (g/cm 3 ) 2,90 2,54 A Tabela 3 apresenta os resultados obtidos por Fluorescência de Raios X (FRX) para os materiais precursores utilizados. Para o fino de granito foi encontrado um alto teor de sílica (SiO2) que era esperado já que o granito tem na sua composição o quartzo, porém não foi identificado um teor de alumina (Al2O3) elevado. O metacaulim é obtido a partir da calcinação do caulim, que é um mineral rico em aluminossilicatos, o que corrobora os teores encontrados para alumina e silica. Tabela 3- Composição química (em porcentagem de óxidos) do FGC e MK. Precursor SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 K 2 O TiO 2 MgO CaO Outros Fino de Granito 57,61 14,47 8,55 4,10 0,97 6,21 5,15 2,94 Metacaulim 57,20 33,70 2,20 1,90 1,10 0,40 0,30 3,

5 A composição minerálogica dos finos de granito e do metacaulim foram obtidas por Difração de Raios X, sendo que a Figura 1 e Tabela 4 trazem, respectivamente, o difratograma e quantificação das fases cristalinas do FGC, enquanto a Figura 2 e Tabela 5 apresentam os resultados encontrados para o MK. O fino de granito usado nesse trabalho é oriundo do processo de britagem do mineral granito, dessa forma, é esperado que na sua composição das fases cristalinas sejam encontrados os cristais que compõe o mineral de origem que são principalmente a mica, o feldspato e o quartzo e, em alguns caso, anfíbolas, piroxenas e olivina. Ao analisar o FGC são encontradas as seguintes fases cristalinas: albita, quartzo, annita, microclina, andesina, actonilta, caulinita e magnetita que correspondem às fases cristalinas esperadas. Ao se observar o difratograma do FGC, pode-se notar que a linha base é quase que totalmente contínua, não apresentando halo amorfo. Esse fato é explicado por esse ser um material de origem mineral que não sofreu nenhum processo de transformação de fases durante a etapa de cominuição. Figura 1 - Difratograma do FGC. Tabela 4 Quantificação das Fases Cristalinas do FGC. Fase Cristalina Média (%) Albita 32,46 Quartzo 20,44 Annita 14,02 Microclina 13,90 Andesina 10,

6 Actinolita 3,75 Caulinita 3,69 Magnetita 1,00 Teor Amorfo 57,00 Ao analisar o MK são encontradas as seguintes fases cristalinas: ilita, caulinita, quartzo e muscovita. Os picos de caulinita indicam que o caulim não sofreu total calcinação na formação do metacaulim. Também são observados picos de quartzo, ilita e muscovita, os dois últimos são silicatos do grupo das micas. A partir do difratograma do metacaulim, pode-se observar a presença de halo amorfo na faixa de 20º a 30º 2 theta que é esperado para esse material (6). Esse fato é corroborado pela quantificação das fases cristalinas que apresenta um teor amorfo bastante elevado de quase 80%. Figura 2 - Difratograma do MK. Tabela 5 - Quantificação das fases cristalinas do MK. Fase Cristalina Média (%) Ilita 12,22 Caulinita 4,39 Quartzo 3,74 Muscovita 0,26 Teor Amorfo 79,40 As Figuras 3 e 4 trazem os resultados obtidos para a porosidade e densidade aparentes dos diferentes traços. 1016

7 Figura 3 - Densidade e porosidade aparentes para as pastas sem silicato. Figura 4 - Densidade e porosidade aparentes para as pastas com silicato. Para os resultados de porosidade e densidade aparentes foi observado que para os traços sem o silicato de potássio (Figura 3), há uma diminuição da densidade e correspondente aumento da porosidade com aumento do teor de adição do FGC. Isso demonstra que esse teor de adição pode ter afetado a reologia do material devido à presença de aglomerados no fino de granito, reduzindo a trabalhabilidade e promovendo dificuldades na moldagem e consequentemente no adensamento. Já para os traços com silicato (Figura 4) não foi observado esse fenômeno, tendo a densidade aumentado com teores de adição maiores de fino já que o mesmo tem densidade maior. Isso pode ser explicado pelo fato de a presença de silicato tornar o material mais fluido, mitigando a aglomeração e favorecendo a moldagem. A Figura 5 mostra os corpos de prova cônicos após a queima à 1200ºC, a Tabela 6 apresenta a quantificação das fases cristalinas dos corpos de prova após a queima e a Figura 6 mostra o seu respectivo difratograma. 1017

8 Figura 5 - Corpos de prova cônicos após a queima. Tabela 6- Quantificação das fases cristalinas das pastas. Traços / Fase Cristalina T1 T2 T3 T4 Leucita 54,88 62,66 59,58 65,19 Kalsilita 32,86 31,36 32,87 30,04 Quartzo 12,27 5,97 7,54 4,77 Figura 6 - Difratograma das pastas (traços). Ao observar a figura 5 é possível perceber que foi mantida a integridade dos corpos de prova após a queima à temperatura de 1200ºC sem formação de fase líquida. Os resultados da quantificação das pastas submetidas à análise por DRX mostram que foram formadas duas fases refratárias (leucita e kalsilita), além de quartzo que não reagiu e uma parcela de geopolímero devido à presença de óxidos contaminantes típicos de uma composição não estequiométrica, conforme apresentado por Cilla et al. (9). No processo queima em altas temperaturas, primeiro é 1018

9 formada a kalsilita por apresentar uma cristalização termodinamicamente mais favorável, que requer menos energia, e posteriormente é formada a leucita que cristaliza em temperaturas superiores. A Figura 7 traz os resultados obtidos por FTIR para os quatro traços. Figura 7 Resultado de espectrocospia das pastas. A partir da análise por FTIR foi possível confirmar a presença das ligações de uma estrutura geopolimérica. Próxima à região de número de onda 1000 cm -1 pode ser observada a presença da banda característica das ligações Si-O-Si devido às vibrações simétricas e assimétricas desse arranjo tetraédrico. Já na região de 800 cm -1 pode ser verificada a presença da banda característica das ligações Al-O. A figura 8 traz os resultados obtidos para calorimetria para os traços sem silicato (T1 e T2) e com silicato (T3 e T4). Figura 8 - Resultado de calorimetria para as pastas sem silicato (T1 e T2) e com silicato (T3 e T4). 1019

10 Através do gráfico de calorimetria é possível observar o comportamento da reação. O primeiro pico é relativo ao processo de dissolução dos precursores, seguido de um período de indução e o segundo pico é referente à reação do alumínio e do silício na formação da estrutura final. A energia dissipada no primeiro pico é maior do que o segundo, o que condiz com o encontrado por outros autores (10, 11). O uso de silicato de potássio aumenta a cinética da reação e com isso pode ter aumentado a energia do sistema e o valor do segundo pico exotérmico. CONCLUSÃO Os resultados obtidos por DRX e FTIR comprovam que foi possível dosar um geopolímero a partir do uso do fino de rocha granítica e verificar as características mineralógicas e as ligações esperadas para esse material. Além disso, pode ser observado, por meio da manutenção de sua integridade, o caráter refratário das composições para temperaturas até 1200ºC, além da formação da fase refratária de interesse. AGRADECIMENTOS Agradecemos à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado da Bahia (FAPESB) pela bolsa concedida e ao Laboratório de Ensaios em Durabilidade dos Materiais (LEDMa) da Universidade Federal da Bahia (UFBA), ao Laboratório de Caracterização de Materiais (LCM) do Instituto Federal da Bahia (IFBA) e a Universidade Estadual de Santa Cruz (UESC) pela infraestrutura disponibilizada. REFERÊNCIAS 1. MEHTA, P. Reducing the Environmental Impact of Concrete. Concrete International. Vol 23, 2001, p VIJAYALAKSHMI, M.; SEKAR, A.; GANESH PRABHU, G. Strenght and durability properties of concrete made with granite waste. Construction and Building Materials. Vol 46, 2013, p TCHADJIÉ, L.; DJOBO, J.; RANJBAR, N.; TCHAKOUTÉ, H.; KENNE, B.; ELIMBI, A.; NJOPWOUO, D. Potential of using granite waste as raw 1020

11 material for geopolymer synthesis. Ceramics International. Vol 42, 2016, p WEERDT KLAARTJE. Geopolymers- State of the art COIN Project Report Disponível em: < Acesso em: 13 de outubro de HE, P.; FU, S.; YUAN., J; RAO, J.; XU, J.; WANG, P.; JIA, D. Celsian formation from barium-exchanged geopolymer precursor: Thermal evolution. Journal of the European Ceramic Society. Vol 37, 2017, p DAVIDOVITS, J. Geopolymers - Inorganic polymeric new materials. Journal of Thermal Analysis, v. 37, p , doi: /bf , DAVIDOVITS, J. Geopolymer Chemistry and Applications. [S.l.]: Institut Géopolymère, p MEDINA, E. Pozalanicidade do Metacaulim em Sistemas Binários com Cimento Portland e Hidróxido de Cálcio. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Construção Civil e Urbana). Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, CILLA, M. S.; MORELLI, M. R.; COLOMBO, P. Effect of process parameters on the physical properties of porous geopolymers obtained by gelcasting. Ceramics International, v. 40, n. 8, p , doi: /j.ceramint , LONGHI, M. Álcali-ativação de lodo de caulim calcinado e cinza pesada com ativadores convencionais e silicato de sódio alternativo. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil). Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, ZHANG, Z.; WANG, H.; YAO, X.; ZHU, Y. Effects of halloysite in kaolin on the formation and properties of geopolymers. Cement & Concrete Composites. Vol 34, 2012, p

12 INCORPORATION OF WASTE GRANITIC ROCK POWDER TO PRODUCTION OF ALKALI ACTIVATED REFRACTORY BINDERS ABSTRACT The alkali activated binders have become a source of attention to many researches because it is a material that can be produced from different industrial wastes. In this scenario, the use of waste granitic rock powder is an alternative to reduce the environmental impact caused by the large production of aggregate used in the construction industry. The properties achieved by such binders are diverse and therefore their applicability is quite high, they can be used at medium and high temperatures. Samples with different proportions of waste granitic rock powder in addition at metakaolin were studied, but maintaining the final refractory phase, the Leucite, constant. Samples were molded and subjected to apparent porosity and density and were burned. It was possible to observe the maintenance of the physical characteristics under high temperatures from the XRD and FTIR spectroscopy tests. Key words: Granitic waste, metakaolin, alkali activation, refractory 1022