O que são Geopolímeros: História, Aplicações e Uso no Concreto

POR Pedro Coelho

Publicado: quarta-feira, 17 de julho de 2024

Compartilhe :

Geopolímeros são materiais inovadores formados através da polimerização de precursores de silício e alumínio em ambientes altamente alcalinos. Ao contrário do cimento Portland tradicional, os geopolímeros utilizam subprodutos industriais como cinzas volantes e escórias, tornando-os mais sustentáveis ​​e ecológicos.

História da tecnologia do geopolímero e suas características

O termo "geopolímero" foi cunhado na década de 1970 pelo cientista e engenheiro francês Joseph Davidovits, referindo-se a uma classe de materiais sólidos sintetizados pela reação de um pó de aluminossilicato com uma solução alcalina.

Esses materiais foram inicialmente desenvolvidos como uma alternativa resistente ao fogo aos polímeros termoendurecíveis orgânicos, após uma série de incêndios na Europa.

Produtos baseados nessa tecnologia foram utilizados como revestimentos para proteção contra fogo em navios de cruzeiro, em compósitos de fibra de carbono de alta temperatura, na proteção térmica de estruturas de madeira, como adesivos resistentes ao calor, como refratários monolíticos e em diversas outras aplicações de nicho.

No entanto, a aplicação principal dos ligantes geopolímeros mudou para a construção civil. Em 1993, o belga Jan Wastiels observou que era possível gerar geopolímeros de alto desempenho através da ativação alcalina de cinzas volantes, um subproduto da combustão do carvão.

A síntese de materiais de construção por ativação alcalina de precursores sólidos não Portland, geralmente escórias metalúrgicas ricas em cálcio, foi demonstrada pela primeira vez por Arthur Oscar Purdon em 1940.

Diversos artigos de revisão ao longo dos anos têm abordado o desenvolvimento de ligantes ativados por álcalis, a maioria focando na ativação alcalina de escórias de alto-forno. A ativação alcalina das escórias produz um gel à base de silicato de cálcio hidratado, enquanto o gel geopolímero possui uma estrutura tridimensional de aluminossilicato alcalino. O papel do cálcio nos geopolímeros ainda está em investigação, devido às complexidades químicas envolvidas.

Desde o artigo de Wastiels e colaboradores, a pesquisa sobre geopolímeros de cinzas volantes tem crescido significativamente. As cinzas volantes têm sido usadas há muito tempo em concretos de cimento Portland para melhorar o fluxo, reduzir a pegada de carbono e eliminar resíduos.

No entanto, a análise detalhada de geopolímeros de cinzas volantes ainda é desafiadora, e a compreensão desses materiais está atrás dos geopolímeros baseados em metacaulim. Os geopolímeros de metacaulim são frequentemente usados como "sistemas modelo" para compreender melhor os materiais de cinzas volantes comercialmente relevantes.

Existem teorias que tentam associar a tecnologia de geopolimerização à construção de estruturas antigas, particularmente as Pirâmides do Egito. Embora a veracidade dessas teorias ainda esteja em debate, é claro que a química envolvida nas construções antigas estaria distante dos sistemas de aluminossilicatos ativados descritos hoje como geopolímeros. Contudo, não é objetivo deste texto especular sobre questões que ainda não são absolutamente comprovadas.

Aplicações e usos gerais do geopolímero

Os geopolímeros são materiais versáteis com uma ampla gama de aplicações devido às suas propriedades únicas. Eles são comumente usados ​​na construção para fazer revestimentos resistentes ao fogo e ao calor, adesivos e cerâmicas de alta temperatura.

Esses materiais apresentam excelentes propriedades mecânicas, alta estabilidade térmica e resistência a ataques químicos, tornando-os adequados para diversas aplicações, incluindo construção, encapsulamento de resíduos e revestimentos resistentes ao fogo.

Os geopolímeros também são empregados no encapsulamento de resíduos tóxicos e radioativos, proporcionando um método seguro para o gerenciamento de resíduos. Além disso, são utilizados na reparação e reabilitação de estruturas de concreto, estabilização de solos e como ligantes em compósitos de fibras resistentes ao fogo. A sua natureza ecológica e durabilidade tornam-nos uma opção atrativa para a construção sustentável e diversas aplicações industriais.

O desenvolvimento de geopolímeros representa um avanço significativo na ciência dos materiais, oferecendo uma alternativa mais ecológica aos materiais cimentícios convencionais.

Vantagens e desvantagens dos geopolímeros sobre o concreto de cimento Portland comum (OPC)

Os geopolímeros e os concretos à base de geopolímeros apresentam diversas vantagens em relação aos concretos à base de cimento Portland comum (OPC), o tipo de concreto mais utilizado. Entre essas vantagens, destacam-se as excelentes propriedades mecânicas dos geopolímeros, especialmente a resistência à compressão, que pode superar 100 MPa.

Embora a resistência à tração e à flexão dos geopolímeros puros seja baixa, ela pode ser significativamente aumentada com o uso de reforços, especialmente fibras. Esses reforços também melhoram a resistência à compressão dos geopolímeros. Além disso, agregados e aditivos, como areia e sílica ativa, são comumente usados para melhorar suas propriedades mecânicas.

Os geopolímeros também têm maior resistência a altas temperaturas, suportando temperaturas superiores a 1000 °C sem se decompor, ao contrário do concreto à base de OPC, que começa a degradar a partir de 400 °C devido à decomposição do hidróxido de cálcio e outros componentes.

Com isso, os geopolímeros são mais adequados para aplicações que exigem resistência ao fogo e isolamento térmico. A resistência ao calor dos geopolímeros pode ser ainda melhorada com aditivos especiais, como chamotte (argila refratária), que ajuda a manter as propriedades mecânicas mesmo sob altas temperaturas.

Além das vantagens térmicas, os geopolímeros são mais resistentes a influências químicas, tornando-os adequados para ambientes agressivos, como estações de tratamento de esgoto e chaminés.

Eles também possuem capacidade de adsorção significativa, sendo úteis no tratamento de águas residuais. Geopolímeros podem encapsular partículas, incluindo resíduos perigosos, e usar subprodutos industriais como agregados.

Em termos ambientais, os geopolímeros são mais sustentáveis que os concretos à base de OPC. A produção de OPC envolve o aquecimento de calcário, que consome muita energia e emite CO₂. Por outro lado, a fabricação de geopolímeros requer menos energia e emite menos CO₂. Além disso, materiais residuais como cinzas volantes e escória de forno podem ser utilizados na fabricação de geopolímeros, reduzindo ainda mais a pegada de carbono.

Os geopolímeros não necessitam de vergalhões metálicos, pois o uso de fibras proporciona reforço suficiente. Em um projeto, descobriu-se que geopolímeros feitos com metacaulim, vidro solúvel, sílica ativa, fibras de carbono, areia, pó de alumínio e cinzas volantes apresentaram emissões de CO₂ 72,05% menores em comparação com concreto armado comum.

Contudo, os geopolímeros apresentam desafios, como a necessidade de ativadores cáusticos (hidróxidos ou silicatos), que representam riscos à segurança e desafios logísticos. Além disso, a ausência de padronização nas misturas de geopolímeros pode levar a variações nas propriedades dos materiais.

Por exemplo, geopolímeros baseados em escória granulada de alto forno geralmente têm melhores propriedades mecânicas devido à presença de íons de ferro. A criação de padrões para materiais de base, ativadores e misturas de geopolímeros pode resolver esse problema, tornando suas propriedades mais previsíveis e ampliando seu uso na construção civil.

As desvantagens dos geopolímeros incluem a necessidade do uso de ativadores cáusticos (hidróxidos ou silicatos), o que apresenta segurança no trabalho e desafio logístico, enquanto a mistura cimento/concreto à base de OPC deve ser misturada apenas com água, pois em vez da policondensação, o cálcio O óxido (cal queimada) no OPC é hidratado para formar hidróxido de cálcio (cal apagada), que serve como aglutinante. Outra grande desvantagem é a ausência de padronização de misturas/bases de geopolímeros, o que pode levar a diferenças nas propriedades dos geopolímeros de vários materiais de base.

Por exemplo, geopolímeros baseados em escória granulada de alto forno geralmente apresentam melhores propriedades mecânicas devido à presença de íons de ferro na estrutura do geopolímero. O OPC e as misturas de concreto baseadas nele são altamente padronizados e as propriedades do concreto resultante são, portanto, altamente previsíveis. No entanto, a falta de padronização pode ser resolvida através da criação de padrões para materiais de base geopolímeros, ativadores, misturas, etc.

Referências

• Geopolymers: Structures, Processing, Properties and Industrial Applications, Jannie S. J. van Deventer, J L Provis, Woodhead Publishing, 2009.
• https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214509521002485 (acessado em 16/07/2024 as 16:12)
• https://www.researchgate.net/publication/325730737_Geopolymers_and_Their_Uses_Review (acessado em 16/07/2024 as 16:17)
• https://www.constructionnews.co.in/geopolymer-concrete-uses-and-benefits.html (acessado em 16/07/2024 as 16:19)
• https://www.aimt.cz/index.php/aimt/article/view/1845 (acessado em 16/07/2024 as 16:24)
• https://www.geopolymer.org/science/introduction/ (acessado em 16/07/2024 as 16:28)
• https://www.researchgate.net/publication/355176133_Potential_applications_of_geopolymer_concrete_in_construction_A_review (acessado em 16/07/2024 as 16:35)
• https://www.be-st.build/case-studies/geopolymer-concrete-development-a-concrete-way-forward/ (acessado em 16/07/2024 as 16:48)

Sobre o autor

Olá meu nome é Pedro Coelho, eu sou engenheiro químico, engenheiro de segurança do trabalho e Green Belt em Lean Six Sigma. Além disso, também sou estudante de engenharia civil, e em parte de minhas horas vagas me dedico a escrever artigos aqui no ENGQUIMICASANTOSSP, para ajudar estudantes de Engenharia Química e de áreas correlatas. Se você está curtindo essa postagem, siga-nos através de nossas paginas nas redes sociais e compartilhe com seus amigos para eles curtirem também :)