Compósitos geopoliméricos obtidos pela ativação alcalina de metacaulim e aluminossilicatos de minerais suscetíveis a reações do tipo álcali-agregado

dc.contributor.advisor1Pereira, Eduardo
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dc.contributor.referee1Pianaro, Sidnei Antonio
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dc.contributor.referee2Langaro, Eloise Aparecida
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dc.contributor.referee3Gobbi, Andressa
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dc.creatorValenga, Matheus Villian
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dc.date.accessioned2023-12-20T20:28:33Z
dc.date.accessioned2026-06-29T14:31:16Z
dc.date.available2023-12-20T00:00:00Z
dc.date.available2023-12-20T20:28:33Z
dc.date.issued2023-12-04
dc.description.abstractAlkali-activated matrices with Si+Al based precursors or geopolymers are cementitious composites obtained from the alkaline activation of amorphous aluminosilicates and present physical-mechanical properties similar to hydrated Portland cement matrices. The activating solutions are made from alkaline hydroxides and silicates, being capable of dissolving the precursor materials. For geopolymer precursors, any material with high amounts of silicon and aluminum and a disordered molecular structure can be used to produce these matrices, as long it obeys the appropriate Si/Al molar ratios. This includes materials such as metakaolin, fly ash, red mud and some mineral aluminosilicates. At the same time, it is well-established knowledge that the use of amorphous silica-based mineral phases in Na/K rich cementitious matrices can lead to a degradation mechanism known as the alkali-silica reaction (ASR). This phenomenon is likely to occur in Portland cement concretes and alkali-activated matrices with Si+Ca based precursors, where the pathological manifestations of ASR are severe. However, this is not observed in geopolymers, and given the similarity between their precursors and the mineral phases that cause ASR, it is possible that the reason for this is that during the consolidation of geopolymers, the mineral phases are an active phase of the reaction. In order to verify this hypothesis, the aim of this work was producing geopolymers made of metakaolin and mineral aggregates susceptible to ASR at different levels and to analyze the physical, chemical, mechanical and morphological changes that the products underwent. The methodological procedure was divided into 5 main phases: precursors and alkaline activators statement and preparation; characterization of these materials and definition of their proportions; geopolymer samples test moldings; definitive moldings and physical-mechanical characterization; then finally, chemical and microstructural characterization of the products. Two pulverized and sieved mineral aggregates with metakaolin were used as precursors, and sodium hydroxide and sodium silicate as activators. These precursors were chemically characterized by XRF, XRD, FTIR and Raman spectroscopy. After the initial test and validation of the defined materials ratio, all the remaining specimens were molded to be physical and mechanical characterized by their immersion water absorption and axial and diametrical rupture. Finally, chemical characterization was carried out and microstructural characterization by scanning electron microscopy. The results indicate that the presence of mineral aggregates in geopolymers reduces or increases their mechanical strength depending on the percentage of metakaolin replacement, age and curing temperature. Water absorption is drastically reduced in geopolymers composed of aggregates, indicating that there is a reduction in capillary pores in the matrix when metakaolin is replaced. Chemical and molecular characterization indicates that some of the mineral phases of the aggregates have the same chemical bonds as crystalline geopolymers, and the replacement of metakaolin with aggregates leads to the formation of zeolites in the matrices when cured at 80 oC. Microstructural characterization showed that the aggregates act as nucleation centers for the geopolymer product, or dissolve in the alkaline medium to produce the geopolymer. It was concluded that aggregates susceptible to ASR can be used as geopolymer precursors, but in-depth studies to ensure efficient mechanical properties are still required.pt_BR
dc.description.resumoMatrizes álcali-ativadas de precursores Si+Al ou geopolímeros são compósitos cimentícios obtidos a partir da ativação alcalina de aluminossilicatos amorfos e apresentam propriedades físico-mecânicas semelhantes a matrizes de cimento Portland hidratadas. As soluções ativadoras são produzidas a partir de hidróxidos e silicatos alcalinos, sendo capazes de dissolver os materiais precursores. Quanto aos precursores de geopolímeros, qualquer material com elevadas quantidades de silício e alumínio e estrutura molecular desordenada pode ser utilizado para a produção dessas matrizes, obedecendo às relações molares adequadas entre Si/Al. Nesse contexto se enquadram materiais como metacaulim, cinzas volantes, lamas vermelhas, e alguns aluminossilicatos minerais. Em paralelo, é de bem estabelecido conhecimento que o uso de fases minerais a base de sílica amorfa em matrizes cimentícias ricas em Na/K pode ocasionar em um mecanismo de degradação conhecido como reação álcali-sílica (RAS). Esse fenômeno tende a ocorrer em concretos de cimento Portland e matrizes álcali-ativadas com precursores a base de Si+Ca, onde as manifestações patológicas da RAS são severas. Porém em geopolímeros isso não é observado, e tendo em vista a semelhança entre os seus precursores e as fases minerais que propiciam a RAS, é possível que o motivo disso seja que durante a consolidação dos geopolímeros as fases minerais sejam uma fase ativa da reação. Para verificar tal hipótese o objetivo desse trabalho foi produzir geopolímeros mistos de metacaulim e agregados minerais suscetíveis a RAS, em diferentes níveis, e analisar as mudanças físicas, químicas, mecânicas e morfológicas que foram proporcionadas. O procedimento metodológico foi seccionado em 5 principais etapas: definição e preparação de precursores e ativadores alcalinos; caracterização desses insumos e definição de proporções de materiais; moldagens testes de amostras de geopolímero; moldagens definitivas e caracterização físico- mecânica; e por fim caracterização química e microestrutural dos produtos. Foram usados dois agregados minerais pulverizados e peneirados, e metacaulim como precursores, e hidróxido e silicato de sódio como ativadores. Estes precursores foram caracterizados quimicamente por FRX, DRX, FTIR e espectroscopia Raman. Após o teste inicial e validação do traço definido, os demais corpos de prova foram moldados, e caracterizados físico-mecanicamente por absorção de água por imersão e compressão axial e diametral. Por fim, a caracterização química foi realizada e a microestrutural por microscopia eletrônica por varredura. Os resultados indicam que a presença de agregados minerais nos geopolímeros reduzem ou incrementam suas resistências mecânicas dependendo da porcentagem de substituição de metacaulim, idade e temperatura de cura. A absorção de água reduziu drasticamente em geopolímeros compostos com agregados, indicando que há a redução de poros capilares nas matrizes quando o metacaulim é substituído. A caracterização química e molecular indicou que algumas fases minerais dos agregados apresentam ligações químicas iguais a geopolímeros cristalinos, e a substituição de metacaulim por agregados proporcionou a formação de zeólitas nas matrizes quando curadas a 80 oC. A caracterização microestrutural demonstrou que os agregados podem servir como centros de nucleação para o produto geopolimérico, ou dissolvem no meio alcalino para produção de geopolímero. Concluiu-se que agregados suscetíveis a RAS podem ser utilizados como precursores de geopolímero, porém estudos aprofundados para garantir propriedades mecânicas eficientes ainda são necessários.pt_BR
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superiorpt_BR
dc.identifier.citationVALENGA, Matheus Villian. Compósitos geopoliméricos obtidos pela ativação alcalina de metacaulim e aluminossilicatos de minerais suscetíveis a reações do tipo álcali-agregado. 2023. Dissertação (Mestrado em Engenharia e Ciência de Materiais) - Universidade Estadual de Ponta Grossa, Ponta Grossa, 2023.pt_BR
dc.identifier.urihttps://ri.uepg.br/handle/123456789/2308
dc.languageporpt_BR
dc.publisherUniversidade Estadual de Ponta Grossapt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.departmentDepartamento de Engenharia de Materiaispt_BR
dc.publisher.initialsUEPGpt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências de Materiaispt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
dc.subjectGeopolímeropt_BR
dc.subjectReação álcali-sílicapt_BR
dc.subjectAluminossilicatos mineraispt_BR
dc.subjectMateriais precursores alternativospt_BR
dc.subjectGeopolymerpt_BR
dc.subjectAlkali-silica reactionpt_BR
dc.subjectMineral aluminosilicatespt_BR
dc.subjectAlternative precursor materialspt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICApt_BR
dc.titleCompósitos geopoliméricos obtidos pela ativação alcalina de metacaulim e aluminossilicatos de minerais suscetíveis a reações do tipo álcali-agregadopt_BR
dc.typeDissertaçãopt_BR

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