Development of geopolymeric mortars produced from industrial wastes in both precursor and activator phases

Abstract

Geopolymers are binder materials that can be an alternative to replace Portland cement. They are considered less aggressive to the environment because of the lower emission of CO 2 and use of energy in their production chain. However, in order to obtain this advantage, it is essential to use activators that were produced cleanly and sustainably, which is not the case of commercial products such as sodium silicate. This work aimed to manufacture a more eco- efficient product using industrial wastes. Geopolymeric pastes and mortars were produced from chamotte as precursor and waste glass as a component of an alternative activator. In the first experimental phase, it was evaluated the effect of molar concentration and waste glass content in the alkaline solutions. A factorial design of experiments with two factors – molar concentration and waste glass content – and three and four levels, respectively, was applied to analyze the effects. Physical and mechanical tests were performed, as well as the microstructural analyses. The environmental impacts of replacing the traditional activator by the WG-based one were also assessed. The best solutions were selected to develop the mortars, keeping chamotte as precursor and using river sand as fine aggregate. These mortars were produced and characterized for physical and mechanical properties. The results obtained showed that the WG content strongly affects the mechanical strength of geopolymers and the quality of the matrices, promoting a greater formation of geopolymerization products. Using an alternative alkaline solution can reduce 69.8% of the embodied energy and 78.0% of CO 2 footprint compared to the traditional waterglass-based activators. Therefore, this research contributes to technical literature on the application of industrial wastes in geopolymer and the understanding of geopolymerization process. Keywords: Geopolymer. Waste glass. Chamotte. Sustainability.

Geopolímeros são aglomerantes que podem ser uma alternativa para substituir o cimento Portland. Eles são considerados menos agressivos ao meio ambiente devido à menor emissão de CO 2 e menor consumo energético em sua cadeia produtiva. Entretanto, para que essa vantagem seja garantida, é essencial a aplicação de ativadores produzidos de forma limpa e sustentável, o que não é o caso dos ativadores comerciais, como o silicato de sódio. O objetivo do presente trabalho foi a fabricação de um produto eco-eficiente, empregando resíduos industriais como matérias-primas. Pastas e argamassas geopoliméricas foram produzidas utilizando chamote como precursor e resíduo de vidro como componente de um ativador alternativo. Na primeira fase experimental, avaliou-se o efeito da concentração molar e do teor de resíduo de vidro na solução alcalina, aplicando-se um planejamento experimental em fatorial com três e quatro níveis, respectivamente, para a análise dos efeitos. Ensaios físicos e mecânicos em pastas foram realizados, bem como análises microestruturais. Os impactos ambientais quando da substituição do ativador tradicional pelo ativador à base de resíduo de vidro também foram verificados. As melhores soluções foram selecionadas para a produção de argamassas, mantendo o chamote como precursor e utilizando areia de rio como agregado miúdo. As argamassas foram produzidas e caracterizadas fisicamente e mecanicamente. Os resultados obtidos demonstraram que a adição de resíduo de vidro afeta fortemente a resistência mecânica de geopolímeros e a qualidade das matrizes, promovendo uma maior formação dos produtos geopoliméricos. O uso de uma solução alcalina alternativa pode reduzir em 69,8 % a energia consumida e 78,0 % a emissão de CO 2 , em comparação aos ativadores à base de silicato de sódio tradicionais. Portanto, a presente pesquisa contribui para a literatura técnica relacionada à aplicação de resíduos industriais em geopolímeros e o entendimento do processo de geopolimerização. Palavras-chave: Geopolímero. Resíduo de vidro. Chamote. Sustentabilidade.