Divisão de Engenharia Civil Ano: 2025
(Turma 2025, TGs 2025)
Development of one-part alkali-activated cement with low-calcium solid precursors and alternative alkaline sources (pdf 1,4 MB)
Autor: Felipe Mello dos Reis
Orientador(es): Prof. João Cláudio Bassan de Moraes
Relator(es): María Victoria Borrachero Rosado
Ano: 2025
Resumo:
Na busca por alternativas mais sustentáveis ao cimento Portland, os cimentos ativados alcalinamente têm sido amplamente estudados. Inicialmente, a maioria dos processos de mistura ocorre em duas etapas, que sacrificam a eficiência produtiva em favor de melhores propriedades mecânicas. Visando aumentar a escalabilidade do processo, o desenvolvimento de sistemas monocomponentes ("just-add-water") trouxe uma tecnologia mais acessível e prática para a indústria. No entanto, os estudos atuais se concentram principalmente em precursores ricos em cálcio, enquanto o uso de ativadores alcalinos convencionais levanta preocupações relacionadas à segurança e ao impacto ambiental. Este trabalho propõe o desenvolvimento de um cimento ativado alcalinamente monocomponente usando precursores sólidos de baixo teor de cálcio, como sílica ativa e metacaulim, juntamente com fontes alcalinas mais seguras e sustentáveis, como carbonato de potássio e hidróxido de cálcio. A variação da razão molar Si/Al influenciou diretamente tanto a cinética de polimerização quanto as características microestruturais dos aglomerantes. Misturas com Si/Al = 3,0 alcancaram o melhor equilíbrio entre densidade, porosidade e resistência mecânica, refletindo um grau ótimo de geopolimerização e formação homogênea de gel. As análises microestruturais confirmaram a formação de géis aluminossilicatos predominantemente amorfos (K-A-S-H), com características do gel dependentes das proporções dos precursores. Os resultados demonstraram que a formulação proposta é tecnicamente viável, produzindo matrizes estáveis e compactas com desempenho mecânico adequado e maior segurança e sustentabilidade em comparação com sistemas ativados alcalinamente convencionais. O estudo demonstra que a combinação de metacaulim e sílica ativa com fontes alcalinas suaves é uma estratégia promissora para desenvolver um aglomerante com desempenho mecânico adequado e viabilidade aprimorada para aplicação na indústria da construção. Abstract:
In the search for more sustainable alternatives to Portland cement, alkali-activated cements have been extensively studied. Initially, most mixing processes occur in two steps, which sacrifice productive efficiency in favor of improved mechanical properties. Aiming to increase process scalability, the development of one-part (just-add-water) systems has brought a more accessible and practical technology to the industry. Nonetheless, current studies mainly focus on calcium-rich precursors, while the use of conventional alkaline activators raises concerns related to safety and environmental impact. This work proposes the development of a one-part alkali-activated cement using low-calcium solid precursors, such as silica fume and metakaolin, along with safer and sustainable alkaline sources, such as potassium carbonate and calcium hydroxide. The variation of the Si/Al molar ratio directly influenced both the polymerization kinetics and microstructural characteristics of the binders. Mixtures with Si/Al = 3.0 achieved the best balance between density, porosity, and mechanical strength, reflecting an optimal degree of geopolymerization and homogeneous gel formation. Microstructural analyses confirmed the formation of predominantly amorphous aluminosilicate gels (K-A-S-H), with gel characteristics dependent on precursor proportions. The results demonstrated that the proposed formulation is technically viable, producing stable and compact matrices with adequate mechanical performance and improved safety and sustainability compared to conventional alkali-activated systems. The study demonstrates that combining metakaolin and silica fume with mild alkaline sources is a promising strategy for developing a binder with adequate mechanical performance and enhanced viability for application in the construction industry.
