Aplicação de geopolímero à base de cálcio com escória de alto

Aplicação de geopolímero à
base de cálcio com escória
de alto-forno, uma revisão
Joseph Davidovits
Nós apresentaremos as diferenças que ocorrem no mecanismo químico da “escória álcali-ativada” e
geopolímero à base de escória. Os aspectos negativos da ativação alcalina são, essencialmente, devido às
condições de mistura corrosiva, chamada de “hostil ao usuário” quando comparado com o meio moderado, que
governa a geopolimerização, chamada “amigável ao usuário”. O geopolímero à base de cálcio com escória de
alto-forno gera menor teor de CSH e Al(OH)3, gerando estruturas moleculares tridimensionais do tipo anortita
hidratada incorporada em uma solução sólida compreendendo estruturas de polissialato e polidissiloxossialato.
Distinguimos três tipos de geopolímero à base de cálcio:
1. À base de MK-750/escória utilizado para o gerenciamento de resíduos tóxicos e radioativos;
2. À base de rocha/escória para cimento em construção e infraestrutura;
3. À base de fly ash/escória para concreto geopolimérico.
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Aplicação de geopolímero à base de cálcio
com escória de alto-forno, uma revisão
Introdução
Davidovits inventou o termo geopolímero em 1978
para representar uma ampla gama de materiais
caracterizados por cadeias ou redes de moléculas
inorgânicas.1 A pesquisa do geopolímero à base de
escória de alto-forno de ferro começou em 1983,
no laboratório central de uma grande empresa
de cimento americana, Lone Star Industries, Inc,
Houston, Texas, EUA, onde Davidovits e Sawyer
desenvolveram um cimento geopolimérico, mais
tarde chamado de cimento Pyrament.2 Na década
de 1930, álcalis, como o hidróxido de sódio e
hidróxido de potássio, foram originalmente usados
para testar a escória granulada de alto-forno de
ferro para determinar se a escória endureceria
quando adicionada ao cimento Portland. No decorrer
do estudo dos sistemas de teste para a escória,
o cientista belga Purdon 3 descobriu em 1940
que a adição de álcalis produzia um novo ligante
de endurecimento rápido. Cimentos de escória
álcali-ativada (chamados de cimentos Trief) foram
usados em larga escala na construção já em 1950.
A alcalinização usual requer a adição de 1,5%
de NaCl e 1,5% de NaOH a 97% misturado com
escória granulada (U.S. Army Engineer Waterways
Experiment Station, 1953). Em 1957, o cientista
ucraniano Victor Glukhovsky4 desenvolveu ligantes
de escória álcali-ativada para aplicações na
construção.
Mecanismo de geopolimerização com
escória de alto-forno de ferro
A composição mineral da fase vítrea da escória é
composta principalmente de melilita, uma solução
sólida de gehlenita Ca2Al2SiO7 mais akermanita
Ca2Mg(Si2O7) (Figura 21.1) e também merwinita
Ca3Mg(SiO4)2. O alumínio é encontrado apenas na
gehlenita e o magnésio na akermanita e merwinita.
Do ponto de vista da química geopolimérica, a
gehlenita é a molécula reativa com potencial efetivo
como precursor geopolimérico.
A geopolimerização começa com a etapa de
alcalinização envolvendo NaOH ou KOH. Seu
mecanismo pode ser seguido com espectroscopia
de RMN-RAM.
Na RMN do 29Si, as diversas ressonâncias em torno
de -76 ppm para escória não-tratada (Figura 21.2a)
são características da ressonância relatada por
Kirkpatrick5 para o vidro de akermanita, e solução
sólida de vidro de gehlenita. Elas são atribuídas
às espécies Q 1 no vidro de akermanita e para
Q2(2Al) no vidro de gehlenita. A alcalinização com
KOH (5 M) realizada por Richardson et al.6 (Figura
21.2b) produziu uma mudança para -79 ppm para
as unidades Q1 hidratadas de akermanita e uma
linha forte em -82 ppm para os elementos Q2(1Al)
hidratados na gehlenita. O ressalto em torno de -76
ppm é atribuído ao vidro que não reagiu, e não é
levado em consideração.
Figura 21.1: Estrutura molecular da gehlenita e akermanita no vidro de melilita.
Figura 21.2: RMN do 29Si; a) (esquerda) escória não-tratada; b) (direita) alcalinização com KOH.
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com escória de alto-forno, uma revisão
Al, a ressonância ampla em 58,05
ppm (Figura 21.3a), reflete a presença do Al em
configuração tetraédrica altamente distorcida dentro
da fração de vidro de gehlenita. Na alcalinização
com KOH (Figura 21.3b), há um estreitamento e
nitidez deste pico e um deslocamento a 63 ppm,
um ressalto em torno de 70 ppm e a presença de
uma nova ressonância estreita em 10 ppm típico
do Al em número de coordenação 6. Richardson e
Groves7 tinham apresentado a presença na escória
de alto-forno endurecida de camadas com Mg,
fase de hidróxido de Al relacionada ao mineral de
ocorrência natural hidrotalcita [Mg0.75Al0.25(OH)2]
Na RMN do
27
(CO 3 ) 0,125 (H 2 O) 0.5 . A alcalinização com KOH e
NaOH libera Mg(OH)2 e Al(OH)3, Al em número de
coordenação 6 que precipita ou reage com o CO2
atmosférico.
com OH- no sistema aquoso alcalino para formar
Ca(OH)2, que então reage com o CO2 na atmosfera,
formando calcita, CaCO 3. Segundo eles, essas
reações seriam em essência, o mecanismo de
endurecimento da argamassa. Ao mesmo tempo, a
dissolução do precursor de alumina-sílica prossegue.
No entanto, nossa experiência em laboratório mostra
que a carbonatação no CaCO3 ou MgCO3 não ocorre
na mistura de reação, mas mais tarde; após a pega
do geopolímero e o contato com a atmosfera, durante
o primeiro processo de secagem. O endurecimento é,
portanto, apenas governado pela geopolimerização.
A alcalinização induz a divisão da sequência Al-OAl no vidro de Ca-poli(aluminossialato), gehlenita.
Um átomo de Al participa da geopolimerização, o
segundo vai para a solução como o Mg. O mecanismo
químico de alcalinização do vidro de melilita pode
ser interpretado desta forma.
Etapa 1
Os constituintes da melilita sofrem uma severa
clivagem alcalina produzindo:
• para gehlenita: moléculas hidratadas de
ortossialato e liberação de hidróxido de alumínio
Al(OH)3;
Figura 21.3: RMN do 27Al; a) (esquerda) escória não-tratada; b) (direita) alcalinização com KOH.
A alcalinização e dissolução da escória vítrea de
gehlenita produz espécies Q1 e Q2(1Al), Q2 de baixo
peso molecular, monômeros, dímeros e diversos
hidróxidos. No entanto, de acordo com Astutiningsih
e Liu8 a grande desvantagem na utilização da escória
de alto-forno para geopolímeros é o alto teor de CaO,
compondo 41% do peso total do precursor. Estes
autores acreditam que o CaO, que está integrado
nas fases de gehlenita, akermanita e merwinita, não
interfere na geopolimerização dos constituintes de
alumina-sílica. Durante a mistura, o Ca++ irá reagir
• para akermanita: moléculas de dissiloxonato
de Ca (CSH) com unidades Si Q1, ou seja, um
dímero, e a liberação de hidróxido de magnésio
Mg(OH)2. O terceiro componente da fase vítrea
da escória, ou seja, merwinita, sofre a mesma
clivagem como a akermanita com produção
adicional de Ca(OH)2.
Etapa 2
Uma molécula hidratada de ortossialato condensa
com um hidrato de dissiloxonato de Ca e forma
uma molécula de ortodissiloxossialato quadrática
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[Si-O-Al-Si-O-Si-O] com sua unidade típica Q2(1Al).
As moléculas hidratadas de dissiloxonato de Ca
produzidas em excesso durante a clivagem da
akermanita e merwinita permanecendo isoladas,
não condensam em polímeros superiores, a fim de
aquiescer com sua unidade estrutural Q1 mostrada
pela espectroscopia de RMN. Hidróxidos livres,
Al(OH)3, Mg(OH)2, Ca(OH)2 precipitam e reagem com
o CO2 atmosférico produzindo vários carbonatos
simples (CaCO3, MgCO3) e hidrotalcita.
Nos estudos químicos da solução porosa realizada
por cientistas de cimento, a molécula (K,Ca)-cicloorto-(dissiloxossialato) é chamada C 3AS 3 para
grossulária (3CaO.Al2O3.3SiO2) e o dissiloxonato de
Ca é CSH, CaO.SiO2.H2O. 9-11
Figura 21.4: Etapa 1 no mecanismo químico de alcalinização do vidro de melilita.
Figura 21.5: Etapa 2 no mecanismo químico de alcalinização do vidro de melilita.
Etapa alternativa
De acordo com os cientistas de cimento, a
alcalinização da escória de gehlenita vítrea é
similar a hidratação da pasta de cimento Portland
em silicato de cálcio hidratado, escrito CSH7,12,13.
Ao invés do dímero simples, dissiloxonato de cálcio
hidratado, típico para o CSH, Richardson et al.6
sugeriram a incorporação da função de ponte para
o átomo de alumínio entre duas moléculas dímeras.
Eles descrevem a estrutura de cadeia linear da
tobermorita com substituição de Al. No entanto,
moléculas de aluminossilicatos, precursores
geopoliméricos, oligômeros, formam estruturas
cíclicas, arranjos quadráticos, pentaédricos ou
hexaédricos, moléculas não lineares. O mecanismo
químico estabelecido na Etapa 1 e Etapa 2 é,
portanto, mais representativo da alcalinização da
escória vítrea de gehlenita do que a etapa alternativa
linear.
Aspecto negativo da alcalinização
Para Astutiningsih e Liu8 a grande desvantagem
na utilização da escória de alto-forno é o alto
teor de CaO. A verdade é que o principal aspecto
negativo é a alcalinização em si. Na molécula de
ortodissiloxossialato gerada na Etapa 2 (assim como
na tobermorita da etapa alternativa), os álcalis K+ ou
Na+ estão localizados em um oxigênio sem ponte
Al-O- K+. O cátion não está ligado quimicamente
ou fisicamente preso pela estrutura. Pode mover
e construir alcalinidade livre, KOH ou NaOH.
Vários estudos14-16 demonstraram que, na escória
álcali-ativada, Na e K não são estruturalmente
incorporados, mas são fisicamente adsorvidos
na estrutura da superfície. Apesar deste aspecto
negativo, a alcalinização foi promovida para sistemas
cimentícios e chamado de “escória álcali-ativada”
por Glukhovsky et al.17-25 Eles construíram um
armazém em 1974 feito de escória álcali-ativada.
Deja26 estudou a evolução da alcalinidade livre
remanescente nas soluções porosas deste concreto.
A quantidade de álcalis livres não se alterou de 28
dias (35,6%) para 27 anos (38%). No entanto, a
implementação industrial da escória de alto-forno de
ferro em sistemas geopoliméricos requer a ausência
de álcalis livres na matriz geopolimérica. Isto implica
o desenvolvimento de sistemas “amigáveis ao
usuário”.
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Aplicação de geopolímero à base de cálcio
com escória de alto-forno, uma revisão
Desenvolvimento de sistemas
geopoliméricos amigáveis ao usuário
Fichas de segurança fornecem uma classificação
de produtos químicos alcalinos ordenados em duas
categorias: produtos corrosivos e produtos irritantes.
As duas classes são reconhecíveis através de seus
respectivos logotipos exibidos na Figura 21.6.
“geopoliméricos”, baseados ou não em escória de
alto-forno de ferro.
Figura 21.6: Logos para produtos químicos corrosivos (esquerda) e irritantes (direita).
Tabela 21.2: Comparação entre as tecnologias das patentes.
Tabela 21.1: Produtos químicos irritantes e corrosivos.
A Tabela 21.1 lista alguns produtos químicos e sua
respectiva etiqueta de segurança. Os produtos
corrosivos devem ser manipulados com luvas, óculos
e máscaras. Eles são hostis ao usuário e não podem
ser implementados em aplicações em massa sem
os procedimentos apropriados de segurança. Na
segunda categoria temos o cimento Portland ou cal
hidratada, produtos típicos de aplicação em massa.
Os ingredientes geopoliméricos pertencentes a esta
classe também podem ser chamados de amigáveis
ao usuário. Quando começamos a pesquisa sobre
geopolímeros decidimos selecionar condições
alcalinas que poderiam ser classificadas apenas
como “irritantes”, ou seja, amigáveis ao usuário.
As condições alcalinas foram alcançadas com uma
relação molar (RM) SiO2:M2O > 1,45, e como se
verificou SiO2:M2O = 1,85. Infelizmente, a nossa
recomendação não foi seguida por outros engenheiros
e cientistas envolvidos no desenvolvimento de
sistemas geopoliméricos, ou “ativação alcalina”.
A Tabela 21.2 fornece detalhes sobre patentes
recentemente publicadas dedicadas aos cimentos
Esta não é uma lista exaustiva, mas isso mostra que
a corrente principal de pesquisadores, cientistas e
engenheiros, não considera a segurança do usuário
final. Apenas uma patente, WO O3/099738, de
oito apresenta uma relação SiO 2:M2O amigável
ao usuário na faixa de 1,25-2,00. Em todas as
patentes citadas; com exceção de uma, a etiqueta
de segurança afirma “hostil ao usuário”. Outro
problema também é que praticamente todos os
trabalhos tratam de cimentos “álcali-ativados”,
formulações que são hostis ao usuário. Por exemplo,
Glukhovsky4, Krivenko24, Palomo et al.27 sugerem
o uso de metassilicato de sódio de RM = 1. Van
Jaarsveld e van Deventer28 obtiveram os melhores
resultados com a RM variando entre 0,69 e 1,11.
Outros apresentam condições alcalinas mais fortes
ainda, como Astutiningsih e Liu8 que mantiveram
a RM na faixa de 0,60. Todas essas condições
alcalinas são corrosivas a fortemente corrosivas.
Apesar de; durante a Conferência Geopolymer
2005 em Saint-Quentin, os representantes dos
usuários finais reclamarem sobre esta situação,
vários cientistas não levam em conta essa situação
e continuam a promover sistemas hostis ao usuário.
Veja por exemplo um artigo recente de Duxson et al.29
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Aplicação de geopolímero à base de cálcio
com escória de alto-forno, uma revisão
Mecanismo químico da matriz
geopolimérica à base de MK-750/escória
A fim de melhor compreendermos a química da
matriz geopolimérica à base de Ca, nós fizemos
a seguinte mistura geopolimérica, chamada de
”Cimento Base” em vários documentos.30-32
Posteriormente, despejamos a mistura em um
recipiente coberto com um filme plástico ou uma
tampa, e deixamos endurecer em temperatura
ambiente. A interação do MK-750 neutralizou
quaisquer riscos de alcalinidade livre. Sua ação
pode ser seguida com espectroscopia de RMNRAM. A Figura 21.7 representa a resistência à
compressão em 8 dias para diferentes teores de
MK-750 adicionados na escória. Isso mostra que
a resistência diminui com o aumento do MK-750.
espécies Q2(1Al) e Q2. A adição de 20 partes de MK750 muda as ressonâncias para -86 ppm atribuídas
às unidades ramificadas Q3. A ressonância é mais
ampla, com valores de -88 a -90 ppm, sugerindo a
formação de elementos de rede Q4. Com a adição de
30 partes de MK-750 as mudanças atingem -88, -90,
-92 e superiores, sugerindo redes tridimensionais
dos tipos Q4(3Si.1Al), Q4(2Si.2Al), Q4(1Si.3Al) e
Q4(4Al).
Figura 21.7: Resistência à compressão em 8 dias para diferentes teores de MK-750, após Geocistem29.
O conhecimento sobre a composição química
estrutural desta matriz geopolimérica à base de
Ca endurecida é essencial para a compreensão do
comportamento a longo prazo.
Espectroscopia de RMN-RAM
Os espectros de RMN na Figura 21.6, mostram
a transformação da escória simplesmente álcaliativada (sem adição de MK-750) em uma rede
tridimensional de aluminossilicato típica para o
geopolímero equilibrado. No espectro de RMN do 29Si,
a ressonância principal em - 82/-83 ppm na escória
álcali-ativada (sem adição de MK-750) é semelhante
ao da Figura 21.2b discutida anteriormente para a
alcalinização do KOH. Eles podem ser atribuídos as
Figura 21.8: RMN do 29Si (esquerda) e RMN do 27Al (direita) do “Cimento Base” geopolimérico
endurecido, evolução de escória álcali-ativada para cimento geopolimérico: sem adição de MK-750;
curva do meio, com 20 partes de MK-750; curva do topo, com 30 partes de MK-750.
No espectro de RMN do 27Al, as principais ressonâncias
em 74/65 ppm na escória álcali-ativada (sem adição
de MK-750) são semelhantes aos da Figura 21.3b
discutidas anteriormente para a alcalinização
do KOH. Elas podem ser atribuídas às espécies
AlQ(2Si.2OH) e AlQ(3Si,OH). Com a adição de 30
partes de MK-750 a ressonância é mais estreita em
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Aplicação de geopolímero à base de cálcio
com escória de alto-forno, uma revisão
58 ppm, sugerindo uma rede tridimensional do
tipo AlQ(4Si). Na escória álcali-ativada, o pico em
9 ppm é atribuído ao Al hexacoordenado. Sua
intensidade é muito menor do que seu equivalente
na Figura 21.3b para a alcalinização do KOH. Com a
geopolimerização, algumas moléculas de silicato de
potássio (dímero, trímero e superiores) reagiram com
o Al(OH)3 livre para gerar uma fase geopolimérica.
Com a adição de 30 partes de MK-750, a quantidade
inicial de Al hexacoordenado, 8%, cai abaixo de
3% e o Al tetracoordenado atinge 97%. A pequena
quantidade de Al(6) pode ser explicada também por
algum MK-750 que não reagiu, não pela presença
de Al(OH)3.
Ambos os espectros demonstraram que, em oposição
a escória álcali-ativada, o Al nos geopolímeros de
(Ca,K) está inteiramente ligado quimicamente, ou
seja, os cátions Na+ e K+ estão presos na estrutura,
proporcionando estabilidade a longo prazo e
resistência à corrosão. Usuários finais podem
escolher entre alta resistência e baixa estabilidade
(álcali-ativação) ou menor resistência e resistência
a longo prazo ideal e à corrosão (geopolimerização).
Microscopia eletrônica
A Figura 21.9 mostra a micrografia eletrônica
deste geopolímero à base de Ca que consiste de
uma matriz amorfa (mostrada em preto), no qual
pequenos grãos brancos são incorporados. Isto
são resíduos de escória. É possível perceber que a
maioria dos grãos de escória desapareceram. Vemos
somente uma marca de sua forma inicial, na forma
de uma pele, provavelmente formada de ingredientes
que não reagiram. Podemos concluir que os cristais
de escória são digeridos pela pasta de silicato de
potássio, e então reagem com o MK-750, deixando
a marca do grão rodeado de materiais que não
participam da reação (Mg, Ca, Si).
Figura 9: Micrografia eletrônica do geopolímero à base de Ca (barra de escala = 10 mícrons). A
imagem na parte superior direita é uma ampliação da parte central da imagem com as impressões de
partículas de escória digeridas.32
A composição química da matriz amorfa (círculo e
interior do grão), compreende átomos de Si, Al, Ca e
K, com praticamente nenhum Mg; sendo este último
encontrado nos pós brancos e grãos. Este processo
é muito regular e pode ser concluído dentro de 30
minutos em temperatura ambiente. A composição
química geral para o geopolímero à base de Ca é
dada como óxidos na Tabela 21.3. Os valores da
água foram omitidos voluntariamente.
Tabela 21.3: Composição geral da mistura de geopolímero à base de Ca (água omitida).
O valores em mols dos óxidos fornecem as seguintes
razões atômicas:
Si:Al 1,65
K:Al 0,48
Ca:Al 0,64
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Si:K 3,43
Si:Ca 2,57
Si:Mg 8,22
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Aplicação de geopolímero à base de cálcio
com escória de alto-forno, uma revisão
Após o endurecimento, a análise dos microfeixes
de elétrons dá a composição química dos óxidos da
matriz geopolimérica em que os grãos de melilita de
cálcio haviam praticamente desaparecido. Apenas
alguns grãos grossos e fragmentos pequenos
permanecem com um tamanho superior a 20
mícrons. 14 medições de microfeixes foram feitas
na matriz geopolimérica. O valor médio dessas
medições fornece as seguintes razões atômicas
(entre parênteses, o menor e o maior valor):
Mecanismo químico, solução sólida na
matriz geopolimérica à base de MK-750/
escória
É impressionante notar que na composição geral
e na análise do feixe de elétrons, a relação Si:Al é
igual a 1,65. Cada átomo de alumínio está envolvido
na matriz geopolimérica, nada foi encontrado
nos fragmentos de escória. Sabemos que a carga
negativa de cada átomo de Al deve ser equilibrada
com uma carga correspondente positiva, ou seja,
um K+ ou meio Ca++. Na matriz, a relação K:Al igual
a 0,67, significa que 0,33 de carga positiva deve
ser encontrada com um cátion duplo de Ca, ou seja,
0,165 Ca. A carga negativa de um Al é, portanto,
equilibrada com 0,67 K+ e 0,165 Ca++. A relação Si:Al
= 1,65 é igual a razão de 5 Si para 3 Al que poderia
ser conseguida através da mistura de vários tipos
de moléculas de geopolímero:
• polissialato, Si:Al = 1:1
• polidissiloxossialato, Si:Al = 3:1
• ortodissiloxonato, Si:Al = 1:0
Uma composição satisfatória seria alcançada
através de uma solução sólida de:
• 2,5 moléculas de (K,Ca)-polissialato, hidrato;
• 0,5 (K,Ca)-polidissiloxossialato, hidrato;
• 0,5 Ca-dissiloxonato, hidrato (CSH).
A presença simultânea de dissiloxonato de Ca/CSH
em uma matriz geopolimérica permaneceu um
enigma para os investigadores que trabalhavam
com geopolímeros, até que Yip e van Deventer33,
mencionaram que o elemento CSH formado na
matriz geopolimérica teve uma significativa redução
da relação Ca/Si do que o CSH geralmente formado a
partir da hidratação do cimento Portland. Na verdade,
não temos no (K,Ca)-polissialato uma alternância
entre K+ e Ca++ ao longo da cadeia macromolecular. De
fato, análogos geológicos derivados do derretimento
sugerem uma solução sólida entre K-polissialato,
kalsilita, e Ca-polidissialato, anortita CaSi2Al2O8, bem
como K-polidissiloxossialato, ortoclásio-sanidina e
anortita. O Ca e o K estariam mais provavelmente
envolvidos em dois mecanismos químicos paralelos
produzindo a formação conjunta de uma solução
sólida contendo:
• 1,67[K-polissialato], kalsilita, hidrato + 0,41 [Capolidissialato], anortita hidratada;
• 0,33[K-polidissiloxossialato], or toclásio
hidratado, + 0,08[Ca-polidissialato], anortita
hidratada;
• 0,5[Ca-dissiloxonato] (CSH).
Aplicações industriais do geopolímero à
base de Ca
Distinguimos três tipos de geopolímero à base de Ca:
1. À base de MK-750/escória (ligante à base de
argila caulinítica calcinada);
2. À base de Rocha/escória (cimento à base de
rocha rica em sílica);
3. À base de Fly ash/escória (cimento à base de
fly ash classe C).
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Aplicação de geopolímero à base de cálcio
com escória de alto-forno, uma revisão
Abaixo, damos um exemplo de uma aplicação bem
sucedida para cada tipo.
Ligante geopolimérico à base de MK-750/
escória para gerenciamento de resíduos
tóxicos e radioativos
Qualquer contenção segura de metais pesados
ou radioativos requer a implementação de uma
tecnologia que envolva geopolímeros à base de MK750, exclusivamente. A eliminação de lixo industrial
radioativo e tóxico deve reunir pelo menos duas
condições:
1. E n c a p s u l a m e n t o q u í m i c o s e g u r o d e
contaminantes, ou seja, a prevenção da sua
liberação em solos ou água de infiltração, a fim
de minimizar os riscos para a saúde através do
curso da água. A liberação de contaminantes é
controlada pelas propriedades de lixiviação da
matriz de imobilização.
2. Estabilidade estrutural com respeito a condições
ambientais adversas, tais como mudanças
rápidas de temperatura e umidade, agressão
microbiana e química e estresse mecânico, a fim
de garantir o manuseio seguro durante o tempo
de operação e minimizar o risco de disseminação
descontrolada de matéria contaminada durante
os próximos cem anos.
Em Novembro/Dezembro de 1998, um experimento
em escala piloto foi realizado na WISMUT (Estação
de Tratamento de Água em Mina de Urânio) em Aue,
Saxen, na Alemanha. Esta instalação foi construída
para remover urânio, rádio, arsênico e outros metais
tóxicos da água de inundação da mina de urânio
Schlema-Alberoda. O princípio tecnológico é uma
precipitação seletiva consecutiva/floculação. A uma
vazão de cerca de 450 m3/h, aproximadamente
desidratado foram solidificados e eliminados todos
os dias. A experimentação em escala piloto envolveu
20 toneladas de material. O sistema geopolimérico
amigável ao usuário foi manuseado com segurança.
Imediatamente após a mistura do pré-produto com
o cimento geopolimérico (Ca,K)-polissiloxossialato à
base de MK-750, a argamassa fluiu facilmente nos
moldes ou big bags. Após 2 dias, 90% da resistência
à compressão final foi alcançada, e a resistência à
compressão final de cerca de 20 MPa em 28 dias.
Tabela 21.4: Concentração dos lixiviados para U, Ra-226 e As.
Vários testes de lixiviação foram realizados a fim
de cobrir uma grande variedade de condições de
estresse ambiental, que poderão eventualmente
ocorrer ao longo dos séculos seguintes. Os ensaios
padrões de lixiviação de acordo com a DIN 38
414-S4 (24 horas, cubos de 7 cm intactos) foram
realizados para obter informações sobre a contenção
total, enquanto os testes sequenciais de lixiviação
de acordo com a ANS 16.1 (ligeiramente adaptada
às condições locais relevantes) forneceram uma
estimativa do transporte por difusão na matriz
geopolimérica. A Tabela 21.4 fornece os resultados
para as concentrações dos lixiviados de acordo com
a DIN 38 414-S4, enquanto a difusão constante de
urânio é dada na Tabela 21.5. Devido aos processos
de estado sólido dentro da matriz geopolimérica
apenas determinarem a difusão, é esperado que
as constantes de difusão sejam independentes do
pH dos lixiviados.
Tabela 5: Constante de difusão D para urânio em pH 3 e pH 5.
3,5 a 4 toneladas de sedimentos de hidróxido
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Aplicação de geopolímero à base de cálcio
com escória de alto-forno, uma revisão
Cimento geopolimérico à base de rocha/
escória para construção e infraestrutura
Cimento geopolimérico à base de fly ash/
escória para concreto geopolimérico
Pega-se uma rocha do tipo granítica fortemente
intemperizada, em que a caulinização está muito
avançada; por exemplo resíduos da mineração de
carvão.35 Em todo o mundo, as veias de carvão estão
muitas vezes presas entre as camadas geológicas
de granito caulinítico. Resíduos de rocha caulinítica
da mineração de carvão podem ser vantajosamente
calcinados, porque geralmente contêm carvão
residual que fornece energia livre adicional durante
a calcinação a 750-800°C. Eles contêm cerca de
25% plagioclásio (feldspato), 30% de quartzo, 10%
de anfibólio, 27% de caulinita, 3% de carvão e 6%
de outros elementos. São calcinados a 750°C por
3 horas e moídos para um tamanho médio de grão
de 15-25 mícrons. Assim, a seguinte mistura reativa
é preparada:
A UE patrocinou o projeto "Understanding and
mastering coal fired ash geopolymerisation process
in order to turn potential into profit"; conhecida sob
a sigla GEOASH (2004-2007).36,37 Normalmente, a
cura do fly ash álcali-ativado é feito em temperaturas
entre 60 e 90°C. Nesta tecnologia, uma vez que
a ideia é usar o geopolímero como um cimento, a
cura ocorrerá em temperatura ambiente, devido ao
sistema geopolimérico de (Ca,K) à base de escória.
Dezessete cinzas volantes europeias foram testadas.
Dois métodos foram usados e comparados. Um
deles, chamado método clássico ou convencional,
baseia-se na ativação alcalina. O segundo é baseado
na geopolimerização com sistemas geopoliméricos
de (Ca,K).
O endurecimento em temperatura ambiente produz
uma resistência à compressão de 40 MPa aos 7
dias, e 105 MPa em 28 dias.
Às vezes, com o carvão inflamado naturalmente, o
calor foi suficiente para transformar a caulinita em
MK-750. Tais camadas naturais existem em vários
países, por exemplo, na Austrália e na República
Tcheca e merecem ser exploradas. Neste caso
particular, não há necessidade de calcinação de
modo que a economia de energia e a redução das
emissões de CO2 são as mais elevadas, na mesma
ordem que para os cimentos geopoliméricos à base
de fly ash.
Método convencional: ativação alcalina, dissolução
e formação de zeólita. Os melhores valores
de resistência à compressão para o método
convencional álcali-ativado foi obtido pela aplicação
das seguintes condições: 0,3-0,4 L/kg, NaOH 12M,
mistura por 5-10 min, vibração ultrassônica, 24
horas em temperatura ambiente, cura a 80°C por 48
horas. Estão em condições cáusticas muito hostis ao
usuário. O KOH não é o ideal para a geopolimerização
seguindo o método convencional, uma vez que
altas concentrações são necessárias para obter
a resistência à compressão que é muito mais
baixa (a maioria 90% mais baixa) do que aqueles
obtidos quando é usado NaOH com concentração
semelhante.
Método geopolimérico: endurecimento em
temperatura ambiente, policondensação. O processo
do (K,Ca)-polissiloxossialato é baseado no sistema
fly ash/escória/silicato de potássio/H2O, reagindo
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Aplicação de geopolímero à base de cálcio
com escória de alto-forno, uma revisão
em temperatura ambiente. As cinzas, 60-80% em
peso da mistura, foram misturadas com a pasta
geopolimérica contendo solução de silicato de
potássio (razão molar SiO2:K2O > 1,40), escória
de alto-forno e água, os diversos componentes
químicos necessários utilizados no cimento (K,Ca)polissiloxossialato e curado em temperatura
ambiente. Os melhores valores de resistência
à compressão, na faixa de 70-100 MPa, para o
método geopolimérico foram obtidos pela aplicação
das seguintes condições: 10 g solução silicato de
potássio, 15 g de escória, 5 g de água, 50 g a 85 g de
fly ash. Estes são métodos de manuseio amigáveis
ao usuário.
Figura 10: Resistência à compressão aos 28 dias; comparação entre processo geopolimérico (GEOASH)
e álcali-ativado (convencional).36,37
Para uma certa cinza volante, a álcali-ativação
convencional (método zeolítico) oferece menor
resistência à compressão do que o procedimento
geopolimérico à base de (Ca,K) (Figura 21.10).
Pode-se deduzir que o método geopolimérico produz
resistências mais elevadas, bem como custos mais
baixos (sem necessidade de ativação térmica), e
manuseio mais seguro e fácil, ou seja, amigável ao
usuário.
convencional para uso na gestão de resíduos
tóxicos, bem como infraestrutura de transporte e
construção. Eles dependem de materiais naturais
minimamente processados e subprodutos industriais
para reduzir significativamente a pegada de carbono
das aplicações de cimento, além de ser muito
resistente a muitos dos problemas de durabilidade
que podem afetar o concreto convencional. Cimentos
geopoliméricos à base de escória amigáveis ao
usuário que podem ser usados em condições
semelhantes às adequadas para o cimento Portland
são o foco atual dos amplos esforços de pesquisa
em todo o mundo. Estes cimentos são capazes de
ser misturados com uma solução de ativação com
alcalinidade relativamente baixa e deve curar em um
tempo razoável em condições ambientais. A produção
de cimentos geopoliméricos à base de escória
versáteis, com um bom custo-benefício que podem
ser misturados e endurecidos, essencialmente,
como o cimento Portland, representaria uma
“mudança no jogo” avançada, revolucionando a
construção de infraestrutura de transporte e a
indústria da construção.
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