Efeitos da incorporação de whiskers de carbeto de silicio em matrizes geopoliméricas a base de metacaulim

Abstract

A incorporação de nanomateriais em matrizes geopoliméricas é uma tendência crescente e diversificada. Essa abordagem visa melhorias no desempenho mecânico da matriz, especificamente em relação às resistências à flexão e à compressão. Um nanomaterial atuando como material de reforço, com módulo de elasticidade, resistência à flexão e dureza maior que a matriz de base, foi introduzido em diferentes proporções e em duas matrizes, a base de metacaulim, com molaridades diferentes: uma principal de 13 M de NaOH e outra alternativa de 6 M de NaOH, obtendo respostas diferentes no seu desempenho mecânico e na sua estabilidade química. A adição de whiskers de Carbeto de Silício (WCS), em teores de 0,10%, 0,20% e 0,50% em massa, na primeira matriz geopolimérica produzida com um metacaulim comercial resultou em incrementos significativos nas resistências à compressão (Rc) e flexão (Rf) no primeiro dia de avaliação (aprox. 20% para Rc e 70% para Rf). Entretanto, esses incrementos nas propriedades mecânicas progressivamente reduziram ao longo do tempo, o que levou aos seguintes questionamentos sobre a compatibilidade química do compósito: A matriz apresentou alterações químicas com o tempo? Ou a estabilidade química dos WCS foi afetada pelo ambiente alcalino das reações? As análises de difração de raios-X (DRX), espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) e microscopia eletrônica de varredura (MEV) levaram à verificação de uma das hipóteses levantadas. A formação da fase carbonato de sódio provocou o início das quedas do desempenho mecânico do compósito, porém a incorporação dos WCS contrapõe este efeito do carbonato na matriz quando adicionados teores de 0,20% e 0,50%. Paralelamente, foi identificada a presença de SiO2 cristalina junto aos WCS que parcialmente favoreceu a absorção de grupos Na2O da solução ativadora e, consequentemente, levou à formação de gel silicato na superfície dos WCS. Desta forma, os WCS atuaram como pontos de nucleação das reações em estado fresco deste sistema para percentuais de adição de até 0,20% (em massa). Entretanto, o compósito ainda apresentou instabilidade física após 28 dias. Em contrapartida, com o intuito de avaliar a estabilidade do compósito geopolimérico e o efeito da adição dos WCS, uma segunda matriz foi produzida utilizando um metacaulim calcinado em laboratório. Esta nova matriz de referência apresentou porosidade inferior, menor concentração de íons Na+ livres e uma reatividade mais lenta em comparação à primeira matriz avaliada. Essas características resultaram em um desempenho mecânico oposto em comparação à matriz com metacaulim comercial, ou seja, a incorporação de WCS resultou em valores de Rc e Rf similares à matriz de referência para o primeiro dia avaliado, porém aos 28 dias foram observados incrementos significativos para ambos os parâmetros (35% para Rc e 17% para Rf). Estas propriedades mecânicas se mantiveram estáveis aos 56 dias. Nesta nova matriz não foi identificada alguma fase carbonato ou cristalina até os 56 dias, indicando estabilidade química da matriz. Finalmente foi definido um teor ótimo de adição dos WCS para o desempenho mecânico em ambas as matrizes.

Abstract: The incorporation of nanomaterials in geopolymer matrices is a growing trend. This approach aims to improve the mechanical performance of the matrix, specifically for flexural and compressive strengths. A nanomaterial acting as a reinforcement material, with the modulus of elasticity, resistance to flexion, and hardness more significant than the base matrix, was introduced in different proportions and in two matrices, based on metakaolin, with different molarities: the principal made of 13 M of NaOH and other 4 M NaOH alternative, obtaining different responses at mechanical performance and chemical stability. The addition of Silicon Carbide Whiskers (SCW), in 0.10%, 0.20%, and 0.50% wt, into a commercial metakaolin-based geopolymer, resulted in significant increases in compressive (Rc) and flexural (Rf) strengths on the first day of evaluation (aprox. 20% for Rc and 70% for Rf). However, these increases progressively were reduced over time, which led to the following questions about the chemical compatibility of the composite: Did the matrix show chemical changes over time? Or was the chemical stability of WCS affected by the alkaline environment of reactions? X-ray diffraction (XRD) analysis, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and scanning electron microscopy (SEM) allowed the verification of one of the hypotheses raised. The formation of the sodium carbonate phase caused a decrease in the mechanical performance of the composite; nevertheless, the incorporation of SCW counteracts its deleterious effect, when was add 0.20% and 0.50% SCW. In other matters, it was identified the presence of crystalline SiO2 on SCW surface that allowed the absorption of Na2O groups from the activator solution and, consequently, led to the formation of silicate gel on the surface of the SCW. In this way, the SCW acted as nucleation points of the reactions in fresh state for this system, for addition percentages up to 0.20% (by mass). Even so, the composite showed physical instability after 28 days. In contrast, to evaluate the stability of the composite and the effect of SCW on it, another matrix was manufactured under other conditions, using a metakaolin calcined in laboratory. This new reference matrix showed lower porosity, lower concentration of free Na+ ions, and slower reactivity compared to the first one. These characteristics caused an opposite mechanical performance compared to the matrix with commercial metakaolin: Rc and Rf had similar values to the reference matrix, at the first age evaluated, but at 28 days significant increases were observed for both parameters (35% for Rc and 17% for Rf). These mechanical properties remained stable at 56 days. This new matrix did not identify any carbonate or crystalline phase until 56 days, suggesting the chemical stability of the matrix. Finally, was defined an optimum quantity of SCW's addition for the mechanical performance in both systems