Production and characterization of diatomaceous earth-based geopolymers and geopolymeric mortars

Mestrado de dupla diplomação com o Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais – CEFET-MGSince 1980, the world has faced an increase in the earth's average surface temperature due to the high release of carbon dioxide into the atmosphere. One of the main responsible for this CO2 release is the manufacture of Portland Cement, associated with a carbon dioxide emission of around 7% of the world's total emissions. In this way, there is a need to find alternatives to Portland cement to reduce these emissions. This work aims to contribute to this endeavor, proposing the application of a solid waste used as a wine filtration agent in the wine industry, diatomaceous earth, containing high amounts of silicon, to produce geopolymers and geopolymeric mortars. A geopolymer is an inorganic polymer produced with an aluminosilicate precursor reacted with an alkaline solution that has been studied as an alternative to cement in the composition of mortars and concretes. Diatomaceous earth and alumina were employed in this work as aluminosilicate sources for the geopolymer precursor, while sodium hydroxide and sodium silicate were used as the alkaline solution. The production process involved mixing all these raw materials of the geopolymers to create a fresh geopolymer, which was then combined with sand and water to form a mortar. In some instances, a specific amount of cement was also added to the binder along with the geopolymer. Subsequently, the samples underwent a 28-day curing process, with the initial four days placed in an oven at 40 ºC and then transferred to room temperature. Following production, the geopolymers were characterized using XRD, FTIR, SEM-EDS, and pore property analysis. On the other hand, the mortar samples underwent compressive and flexural strength tests and a flow test. The results revealed that the most favorable mortar sample, sample 2 (S2), utilized the top-performing geopolymer sample, Geopolymer 2 (GP2), as the geopolymeric binder. GP2 featured a NaOH concentration of 10 M, and a Si/Al ratio of 3,5. In the case of the S2 mortar, it consisted of 75% GP and 25% Portland Cement in the binder. This combination resulted in a higher proportion of geopolymer phase, consequently improving mechanical properties.Desde 1980, o mundo vem enfrentando um aumento na temperatura média da superfície terrestre devido à alta emissão de dióxido de carbono na atmosfera, tendo como um dos principais responsáveis a indústria de cimento Portland (PC), que tem associada a sua produção uma emissão de CO2 responsável por cerca de 7% do total do mundo. Assim, é necessário encontrar alternativas ao PC a fim de reduzir essas emissões. Este trabalho tem como objetivo contribuir para esse esforço, propondo a aplicação de um resíduo sólido chamado terra diatomácea, utilizado como meio de filtração do vinho na indústria vinícola e que contém altas quantidades de silício, para produzir geopolímeros e argamassas geopoliméricas. Um geopolímero é um polímero inorgânico produzido com um precursor aluminossilicato reagido com uma solução alcalina que tem sido estudado como uma alternativa ao cimento na composição de argamassas e concretos. Neste trabalho, foram utilizadas a terra diatomácea e a alumina como fontes de aluminossilicato para o precursor do geopolímero, enquanto o hidróxido de sódio e o silicato de sódio foram usados como solução alcalina. O processo de produção envolveu inicialmente a mistura de todas essas matérias-primas para criar um geopolímero fresco, que foi então combinado com areia e água para formar uma argamassa. Em certos casos, uma quantidade específica de cimento também foi adicionada ao ligante juntamente com o geopolímero. Posteriormente, as amostras passaram por um processo de cura de 28 dias, sendo os quatro primeiros dias em um forno a 40 ºC e depois transferidas para a temperatura ambiente. Após a produção, os geopolímeros foram caracterizados por XRD, FTIR, SEM-EDS e análise das propriedades texturais. As amostras de argamassa, por sua vez, foram submetidas a testes de resistência à compressão e flexão, bem como a um teste de fluidez. Os resultados revelaram que a amostra de argamassa mais favorável, a amostra 2 (S2), utilizou o geopolímero de melhor desempenho, o Geopolímero 2 (GP2), como ligante geopolimérico. O GP2 apresentava uma concentração de NaOH de 10 M e uma relação Si/Al de 3,5. No caso da argamassa S2, ela era composta por 75% de GP e 25% de cimento Portland como ligante. Essa combinação resultou em uma proporção maior de fase geopolimérica, consequentemente levando a melhorias nas propriedades mecânicas

Avaliação do comportamento reológico de pastas de cimento com adição de óxido de grafeno

A adição de óxido de grafeno (OG) em materiais cimentícios permite a obtenção de compósitos mais resistentes e duráveis, com menor carga de poluentes associada à sua produção. Pesquisas anteriores demonstraram que a adição de nanomateriais à pasta de cimento pode provocar o aumento nos parâmetros reológicos de viscosidade e limite de escoamento. Este estudo teve como objetivo investigar as alterações no comportamento reológico de pastas de cimento devido à adição de OG. De forma a cumprir este objetivo, foram realizados testes com OG produzido e patenteado no CTNano/UFMG (Centro de Tecnologia em Nanomateriais e Grafeno da Universidade Federal de Minas Gerais) nos teores de 0,03% e 0,05%, sobre pastas de cimento de classes CP-III e CP-V. Foram utilizados dois métodos de análise, o mini-slump e a reometria rotacional de fluxo. No ensaio de mini-slump, foram obtidas reduções no raio de espalhamento de 42,94% (CP-III) e de 23,34% (CP-V) em relação às amostras de referência, considerando a adição de 0,05%OG. Para este mesmo percentual de adição e utilizando o reômetro, foram obtidos aumentos na viscosidade de 125,49% (CP-III) e 31,51% (CP-V) e aumentos de 82,24% (CP-III) e 38,87% (CP-V) no limite de escoamento. Ambas as técnicas utilizadas se mostraram eficientes na determinação da influência da adição do OG sobre a reologia das pastas de cimento, e apontaram para um aumento na viscosidade da pasta à medida que uma maior quantidade de OG é incorporada à mistura. A diferença principal entre as técnicas apresentadas está na qualidade dos resultados obtidos. Enquanto a reometria rotacional de fluxo é um método mais sofisticado e produz um relatório de resultados mais completo e preciso, a técnica de mini-slump tem como vantagem permitir a visualização dos efeitos das adições sobre a fluidez e a consistência das pastas de cimento.Palavras-chave: Óxido de grafeno. Nanomateriais. Comportamento reológico. Compósitos cimentícios.