Análise da compensação de retração em materiais álcali-ativados por sistema expansivo binário ? Cimento de Aluminato de Cálcio (CAC) e fonte de Sulfato (Gesso FGD)

Abstract

A busca por materiais de construção com menor impacto ambiental tem impulsionado o desenvolvimento de materiais álcali-ativados (AA) como alternativa ao cimento Portland, devido à sua capacidade de valorizar resíduos industriais e reduzir as emissões de CO2. No entanto, a elevada instabilidade volumétrica, manifestada por altas taxas de retração autógena e por secagem, permanece como um dos principais desafios técnicos para a aplicação prática desses sistemas, frequentemente resultando em fissuração e comprometimento da durabilidade das estruturas. Nesse contexto, esta tese propõe uma abordagem inovadora ao desenvolver e aplicar um sistema expansivo binário composto por cimento de aluminato de cálcio (CAC) e gesso residual proveniente da dessulfurização de gases de combustão (FGD), projetado para mitigar a retração em matrizes álcali-ativadas. A inovação reside na exploração da sinergia entre o CAC e o gesso FGD para promover a formação controlada de etringita (AFt) em ambiente altamente alcalino, atuando como agente de compensação de retração. O estudo foi conduzido em etapas que envolveram a caracterização de precursores, como metacaulim (MK), cinza pesada (CZP) e lama vermelha (LV), seguida pelo desenvolvimento do agente expansivo CAC-FGD, sua aplicação em sistemas de argamassas AA e a avaliação da influência de diferentes teores desse agente sobre o comportamento de retração em distintas condições de cura. O método experimental consistiu na obtenção do material expansivo por meio da análise da formação controlada da fase AFt, utilizando técnicas térmicas e microestruturais, além da avaliação da expansão resultante. Os precursores CZP e LV foram investigados em sistemas baseados em metacaulim. Na primeira etapa, pastas ativadas com três molaridades de solução alcalina (10 M, 12 M e 14 M) foram avaliadas, constatando-se que a concentração de 10 M foi suficiente para ativar o MK, a LV e a CZP, possibilitando a cura em temperatura ambiente. A análise por espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) revelou que a banda característica Si?O?T, típica do processo de geopolimerização, esteve associada à formação do gel N?A?S?H em todas as composições analisadas. Maiores deslocamentos dessa banda foram observados nas misturas contendo CZP e LV, indicando modificações na estrutura do gel que contribuíram para o aumento das resistências mecânicas. Os resultados demonstraram que a incorporação do sistema expansivo influenciou positivamente as propriedades mecânicas iniciais e a microestrutura, promovendo o refinamento da rede porosa e a redução dos tempos de pega. Observou-se que a eficácia do sistema na mitigação da retração depende da dosagem do agente expansivo e das condições de cura, sendo que o teor de 10% de CAC-FGD associado à cura úmida apresentou os resultados mais promissores na redução das deformações. As análises microestruturais por termogravimetria (TG) e difração de raios X (DRX) confirmaram a presença de etringita, AH3 e gel N?A?S?H, fases que contribuíram para a redução da retração observada nesse sistema. Além disso, a substituição parcial do metacaulim pelos resíduos CZP e LV favorece a sustentabilidade do material e contribui para a redução da retração por secagem. Por fim, a avaliação de modelos numéricos indicou que modelos tradicionais desenvolvidos para cimento Portland tendem a subestimar a retração em materiais álcali-ativados, evidenciando a complexidade desses sistemas e reforçando a necessidade de abordagens específicas, como a proposta nesta pesquisa.

Abstract: The search for construction materials with lower environmental impact has driven the development of alkali-activated materials (AAMs) as an alternative to Portland cement, due to their ability to valorize industrial residues and reduce CO2 emissions. However, high volumetric instability, manifested by elevated autogenous and drying shrinkage, remains one of the main technical challenges for the practical application of these systems, often resulting in cracking and compromising the durability of structures. In this context, this thesis proposes an innovative approach by developing and applying a binary expansive system composed of calcium aluminate cement (CAC) and flue gas desulfurization gypsum (FGD), designed to mitigate shrinkage in alkali-activated matrices. The innovation lies in exploiting the synergy between CAC and FGD gypsum to promote the controlled formation of ettringite (AFt) in a highly alkaline environment, acting as a shrinkage-compensating agent. The study was conducted in stages that involved the characterization of precursors such as metakaolin (MK), bottom ash (BA), and red mud (RM), followed by the development of the CAC?FGD expansive agent, its application in AAM mortar systems, and the evaluation of the influence of different contents of this agent on shrinkage behavior under distinct curing conditions. The experimental method consisted of obtaining the expansive material through the analysis of the controlled formation of the AFt phase using thermal and microstructural techniques, in addition to evaluating the resulting expansion. The precursors BA and RM were investigated in metakaolin-based systems. In the first stage, pastes activated with three alkaline solution molarities (10 M, 12 M, and 14 M) were evaluated, and the 10 M concentration was found to be sufficient to activate MK, RM, and BA, allowing curing at ambient temperature. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis revealed that the characteristic Si?O?T band, typical of the geopolymerization process, was associated with the formation of the N?A?S?H gel in all analyzed compositions. Larger shifts of this band were observed in mixtures containing BA and RM, indicating modifications in the gel structure that contributed to increased mechanical strength. The results demonstrated that the incorporation of the expansive system positively influenced the early mechanical properties and microstructure, promoting pore network refinement and reducing setting times. It was observed that the effectiveness of the system in mitigating shrinkage depends on the dosage of the expansive agent and curing conditions, with the 10% CAC?FGD content combined with moist curing showing the most promising results in reducing deformation. Microstructural analyses by thermogravimetry (TG) and X-ray diffraction (XRD) confirmed the presence of ettringite, AH3, and N?A?S?H gel, phases that contributed to the reduction of shrinkage observed in this system. Furthermore, the partial replacement of metakaolin with BA and RM residues enhances the sustainability of the material and contributes to the reduction of drying shrinkage. Finally, the evaluation of numerical models indicated that traditional models developed for Portland cement tend to underestimate shrinkage in alkali-activated materials, highlighting the complexity of these systems and reinforcing the need for specific approaches, such as the one proposed in this research.