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As alterações climáticas são um tema de crescente importância no panorama global. Neste contexto, existe uma preocupação crescente com a sustentabilidade dos processos produtivos e dos materiais utilizados. O desenvolvimento de materiais com menor pegada de carbono, mas que assegurem os requisitos de desempenho exigidos para as aplicações, é uma das estratégias que pode permitir a descarbonização do setor industrial. Este trabalho consistiu no desenvolvimento de estruturas geopoliméricas leves com potencial para substituir as espumas poliméricas (polipropileno expandido) atualmente utilizadas pela Bosch como material de atenuação acústica em bombas de calor. Definiram-se como principais objetivos a otimização da densidade geométrica de materiais estudados anteriormente, a adaptação da dimensão das estruturas a uma dimensão próxima da operação e a caracterização do fator de perda dos geopolímeros leves. Foram produzidos geopolímeros densos, porosos, compósitos geopoliméricos contendo agregados leves e estruturas multicamada, associados a aumentos de escala em formulações selecionadas. Os agentes formadores de poros utilizados na produção de geopolímeros porosos foram o pó de alumínio (0,100, 0,125 e 0,150%, adição em massa) e o peróxido de hidrogénio (0,8, 1,2 e 1,6%, adição em massa). Verificou-se a diminuição da densidade geométrica e da resistência mecânica com o aumento do teor de agente formador de poros. Observaram-se também valores de resistência mecânica mais elevados aquando da utilização de peróxido de hidrogénio por comparação com as formulações preparadas com pó de alumínio (para valores de densidade geométrica comparáveis). Para os geopolímeros porosos, a densidade geométrica mais baixa obtida neste trabalho foi de 0,35 g/cmᵌ (1,6% H₂O₂). O poliuretano (PU) foi um resíduo industrial utilizado como agregado leve nos compósitos geopoliméricos (50 a 95 vol.%), tendo-se obtido estruturas com densidade geométrica igual a 0,18 g/cmᵌ para teores de 95 vol.% PU incorporado. Verificou-se que a densidade geométrica diminui com o aumento do teor de agregado leve. À medida que o teor de geopolímero (fase ligante) diminui, surge o fenómeno de desagregação, motivo pelo qual a formulação de 95 vol.% PU não é compatível com a aplicação em estudo. Contudo, a utilização de teores de PU até 93 vol.% (0,27 g/cmᵌ), e as estruturas multicamada apresentam estabilidade e resistência mecânica compatível com a aplicação. A partir de formulações avaliadas em projetos anteriores (80 vol.% cortiça – fina, grosseira e expandida negra, 90 vol.% borracha e 0,100 a 0,150% Al) e outras desenvolvidas neste trabalho (91 vol.% PU, 1 e 2% H₂O₂), foram produzidas amostras de dimensões superiores (16 x 14 x 2 cmᵌ e 15 x 15 x 15 cmᵌ). O aumento de escala foi conseguido sem constrangimentos para todas as formulações exceto para as de cortiça, onde a retração não uniforme do agregado leve resultou em empeno. Verificou-se também uma diminuição da densidade geométrica das amostras com o aumento da escala de produção. Através da análise dinâmica, quantificou-se um fator de perda de aproximadamente 10% para amostras geopoliméricas porosas e compósitas (0,100% Al, 80 vol.% cortiça e 91 vol.% PU). Os resultados mostram ainda uma relação entre a capacidade de amortecimento das amostras e a sua densidade geométrica (para amostras da mesma natureza). Estruturas geopoliméricas mono (PU) e multicamada foram testadas em termos de desempenho acústico, tendo-se verificado valores de coeficiente de absorção acústica superiores aos do (polipropileno expandido) na gama de frequências considerada. Relativamente à perda de som por transmissão, as estruturas geopoliméricas estudadas apresentam valores inferiores por comparação com as espumas de polipropileno expandido. Os resultados mostram que a natureza das camadas exteriores das estruturas multicamada influencia o comportamento acústico da estrutura, o que sugere que a utilização de uma camada externa com menor porosidade pode permitir superar a limitação identificada. Climate change is an issue of growing importance in the global scenery. In this context, the concern with the sustainability of production processes and the materials used has been asserting itself. Therefore, it is mandatory to develop materials with a smaller footprint yet meeting the performance requirements demanded for the target application. This work aims the development of lightweight geopolymer structures with potential to replace the polymeric foams currently used by Bosch, in order to reduce the environmental impact. The main goals of the project include the optimization of the density of previously studied materials, the adjustment of the size of structures to a size close to that of the operation and the characterization of the loss factor of lightweight geopolymers. Dense, porous and composites (containing lightweight aggregates) geopolymers were produced, following a scale up strategy onto a selection of formulations. The aluminium powder (0,100, 0,125 and 0,150%) and the hydrogen peroxide (0,8, 1,2, 1,6%) were the foaming agents used in the production of porous geopolymers. A decrease in the density and in the mechanical strength was found when increasing the foaming agent content. An improvement in the mechanical strength was also observed when the hydrogen peroxide was used instead of the aluminium powder (for comparable density values). For porous geopolymers, the minimum density obtained was 0,35 g/cmᵌ (1,6% H₂O₂). Polyurethane (PU) was an industrial waste used as light aggregate in the geopolymer composites (50 to 95 vol.%). Structures with density equal to 0,18 g/cmᵌ were obtained for contents of 95 vol.% of aggregates incorporated to the composite. It was found that density decreases with the increase of the light aggregate content. As the geopolymer content (binder) decreases, the phenomenon of crumbling appears. For that reason, the 95 vol.% PU formulation is considered to be incompatible with the target application of this study. However, the use of PU contents up to 93 vol.% (0,27 g/cm3) and the use of multilayer structures can be considered for the intended effect, with valuable levels of mechanical strength. From formulations evaluated in previous studies (80 vol.% cork – fine, coarse, and black expanded, 90 vol.% rubber and 0,100 to 0,150% Al) and others developed within this work (91 vol.% PU, 1 and 2% H₂OClimate change is an issue of growing importance in the global scenery. In this context, the concern with the sustainability of production processes and the materials used has been asserting itself. Therefore, it is mandatory to develop materials with a smaller footprint yet meeting the performance requirements demanded for the target application. This work aims the development of lightweight geopolymer structures with potential to replace the polymeric foams currently used by Bosch, in order to reduce the environmental impact. The main goals of the project include the optimization of the density of previously studied materials, the adjustment of the size of structures to a size close to that of the operation and the characterization of the loss factor of lightweight geopolymers. Dense, porous and composites (containing lightweight aggregates) geopolymers were produced, following a scale up strategy onto a selection of formulations. The aluminium powder (0,100, 0,125 and 0,150%) and the hydrogen peroxide (0,8, 1,2, 1,6%) were the foaming agents used in the production of porous geopolymers. A decrease in the density and in the mechanical strength was found when increasing the foaming agent content. An improvement in the mechanical strength was also observed when the hydrogen peroxide was used instead of the aluminium powder (for comparable density values). For porous geopolymers, the minimum density obtained was 0,35 g/cm3 (1,6% H₂O₂). Polyurethane (PU) was an industrial waste used as light aggregate in the geopolymer composites (50 to 95 vol.%). Structures with density equal to 0,18 g/cmᵌ were obtained for contents of 95 vol.% of aggregates incorporated to the composite. It was found that density decreases with the increase of the light aggregate content. As the geopolymer content (binder) decreases, the phenomenon of crumbling appears. For that reason, the 95 vol.% PU formulation is considered to be incompatible with the target application of this study. However, the use of PU contents up to 93 vol.% (0,27 g/cmᵌ) and the use of multilayer structures can be considered for the intended effect, with valuable levels of mechanical strength. From formulations evaluated in previous studies (80 vol.% cork – fine, coarse, and black expanded, 90 vol.% rubber and 0,100 to 0,150% Al) and others developed within this work (91 vol.% PU, 1 and 2% H₂OClimate change is an issue of growing importance in the global scenery. In this context, the concern with the sustainability of production processes and the materials used has been asserting itself. Therefore, it is mandatory to develop materials with a smaller footprint yet meeting the performance requirements demanded for the target application. This work aims the development of lightweight geopolymer structures with potential to replace the polymeric foams currently used by Bosch, in order to reduce the environmental impact. The main goals of the project include the optimization of the density of previously studied materials, the adjustment of the size of structures to a size close to that of the operation and the characterization of the loss factor of lightweight geopolymers. Dense, porous and composites (containing lightweight aggregates) geopolymers were produced, following a scale up strategy onto a selection of formulations. The aluminium powder (0,100, 0,125 and 0,150%) and the hydrogen peroxide (0,8, 1,2, 1,6%) were the foaming agents used in the production of porous geopolymers. A decrease in the density and in the mechanical strength was found when increasing the foaming agent content. An improvement in the mechanical strength was also observed when the hydrogen peroxide was used instead of the aluminium powder (for comparable density values). For porous geopolymers, the minimum density obtained was 0,35 g/cm3 (1,6% H₂O₂). Polyurethane (PU) was an industrial waste used as light aggregate in the geopolymer composites (50 to 95 vol.%). Structures with density equal to 0,18 g/cm3 were obtained for contents of 95 vol.% of aggregates incorporated to the composite. It was found that density decreases with the increase of the light aggregate content. As the geopolymer content (binder) decreases, the phenomenon of crumbling appears. For that reason, the 95 vol.% PU formulation is considered to be incompatible with the target application of this study. However, the use of PU contents up to 93 vol.% (0,27 g/cm3) and the use of multilayer structures can be considered for the intended effect, with valuable levels of mechanical strength. From formulations evaluated in previous studies (80 vol.% cork – fine, coarse, and black expanded, 90 vol.% rubber and 0,100 to 0,150% Al) and others developed within this work (91 vol.% PU, 1 and 2% H₂O₂), samples of larger dimensions were produced (16 x 14 x 2 cm3 e 15 x 15 x 15 cm3). Scaling up was achieved without constraints for all formulations except for those with cork aggregates, where non-uniform shrinkage of the lightweight aggregate resulted in warping. A decrease in geometric density was verified with the increase of the sample dimension. Through dynamic mechanical analysis, a loss factor of approximately 10% was quantified for porous and composite geopolymeric samples (0,100% Al, 80 vol.% cork e 91 vol.% PU). It has also been possible to identify an inverse relation between the damping of the material and its density for samples of the same nature. Single (PU) and multi-layer geopolymeric structures were tested in terms of acoustic performance. Those samples verified higher acoustic absorption values higher than those typically observed for the Expanded Polypropylene (EPP) foams in the considered frequency range. Regarding sound transmission loss, geopolymers underperformed in comparison to the reference material (EPP). Additionally, higher values were observed for higher densities, and it was possible to conclude that the outer layers of multilayer structures have a great influence on the acoustic behaviour of the structure.), samples of larger dimensions were produced (16 x 14 x 2 cm3 e 15 x 15 x 15 cm3). Scaling up was achieved without constraints for all formulations except for those with cork aggregates, where non-uniform shrinkage of the lightweight aggregate resulted in warping. A decrease in geometric density was verified with the increase of the sample dimension. Through dynamic mechanical analysis, a loss factor of approximately 10% was quantified for porous and composite geopolymeric samples (0,100% Al, 80 vol.% cork e 91 vol.% PU). It has also been possible to identify an inverse relation between the damping of the material and its density for samples of the same nature. Single (PU) and multi-layer geopolymeric structures were tested in terms of acoustic performance. Those samples verified higher acoustic absorption values higher than those typically observed for the Expanded Polypropylene (EPP) foams in the considered frequency range. Regarding sound transmission loss, geopolymers underperformed in comparison to the reference material (EPP). Additionally, higher values were observed for higher densities, and it was possible to conclude that the outer layers of multilayer structures have a great influence on the acoustic behaviour of the structure.), samples of larger dimensions were produced (16 x 14 x 2 cm3 e 15 x 15 x 15 cm3). Scaling up was achieved without constraints for all formulations except for those with cork aggregates, where non-uniform shrinkage of the lightweight aggregate resulted in warping. A decrease in geometric density was verified with the increase of the sample dimension. Through dynamic mechanical analysis, a loss factor of approximately 10% was quantified for porous and composite geopolymeric samples (0,100% Al, 80 vol.% cork e 91 vol.% PU). It has also been possible to identify an inverse relation between the damping of the material and its density for samples of the same nature. Single (PU) and multi-layer geopolymeric structures were tested in terms of acoustic performance. Those samples verified higher acoustic absorption values higher than those typically observed for the Expanded Polypropylene (EPP) foams in the considered frequency range. Regarding sound transmission loss, geopolymers underperformed in comparison to the reference material (EPP). Additionally, higher values were observed for higher densities, and it was possible to conclude that the outer layers of multilayer structures have a great influence on the acoustic behaviour of the structure. Mestrado em Engenharia de Materiais

This study was undertaken to valorize naturally occurring silica sand in the synthesis of new consolidated concrete materials. The mixtures of silica sand, calcium sulphate, commercial metakaolin, demolition materials were designed to propose sulphate and sodium silicate/NaOH activate concretes and geopolymers, respectively. Three raw silica sand samples were collected from various locations in Tunisia. The obtained new materials were characterized by SEM and mechanical properties were investigated.The calcium sulphate-based concretes displayed good technological properties with a compressive strength close to 15 MPa and 40–56% of water adsorption. When, metakaolin and demolition reject were added the mechanical resistance decreased due to the lower pozzolanic properties of these materials.Concerning the geopolymer-based sand concrete, lower compressive strength values were registered. Moreover, by incorporating demolition materials, the mechanical resistance decreased in all consolidated products. The effect of the metakaolin reactivity is more significant when it is activated with a alkaline solution. However, the sodium silicate/NaOH activation of metakaolin governs the reaction when it is highly reactive.Finally raw silica sand from Tunisia provided good consolidated concrete materials in the presence of calcium sulphate. As well, the silica sand provided good geopolymers in the presence of metakaolin and alkaline solution. Resumen: Este estudio se realizó para valorizar la arena de sílice natural en la síntesis de nuevos materiales de hormigón consolidado. Las mezclas de arena de sílice, sulfato de calcio y metacaolín comercial, materiales de demolición se diseñaron para proponer sulfatos y silicatos de sodio/NaOH activan concretos y geopolímeros, respectivamente. Se recogieron tres muestras de arena de sílice en bruto de varios lugares en Túnez. Los nuevos materiales obtenidos se caracterizaron por SEM y se investigaron las propiedades mecánicas.Los hormigones a base de sulfato de calcio mostraron buenas propiedades tecnológicas, con una resistencia a la compresión cercana a 15 MPa y con el 40-56% de adsorción de agua. Cuando se agregaron metacaolín y rechazo de demolición, la resistencia mecánica disminuyó debido a las propiedades puzolánicas más bajas de estos materiales.Con respecto al hormigón de arena a base de geopolímero, se registraron valores de resistencia a la compresión más bajos. Además, al incorporar materiales de demolición, la resistencia mecánica disminuyó en todos los productos consolidados. El efecto de la reactividad del metacaolín es más significativo cuando se activa con una solución alcalina. Sin embargo, la activación de silicato de sodio/NaOH del metacaolín gobierna la reacción cuando es altamente reactivo.Finalmente, la arena de sílice cruda de Túnez proporcionó buenos materiales de hormigón consolidado en presencia de sulfato de calcio. Además, la arena de sílice proporcionó buenos geopolímeros en presencia de metacaolín y solución alcalina.

No presente trabalho foi avaliado o potencial de uso dos grits, resíduo proveniente da indústria de papel e celulose gerado no processo Kraft, na produção de ligantes álcali ativados. Realizou-se o tratamento térmico do grits, a fim de deixá-lo mais reativo. Os ligantes álcali ativados são constituídos pelo gel C-A-S-H, os quais necessitam de óxido de cálcio em sua composição para sua formação. Este trabalho propôs parâmetros de tratamento térmico dos grits, a fim de descarbonatar a calcita e verificar a reatividade do componente resultante, óxido de cálcio, na mistura. Os resultados do tratamento térmico foram eficientes, demonstrando que elevados teores de óxido de cálcio foram gerados. Produziu-se ligantes álcali ativados à base de metacaulim e grits tratado termicamente, utilizando como solução ativadora: silicato de sódio, hidróxido de sódio e água. Os ligantes álcali ativados produzidos possuem relação Na2SiO3/NaOH de 2,5 e água/(metacaulim+grits) de 0,50. Na dosagem dos ligantes álcali ativados, o percentual de substituição do metacaulim por grits vario de 0 a 50%, a proporção de ativadores em massa seca de 0,4 a 1,0 e tempo de cura de 2 a 28 dias. A variação da relação molar de óxidos foi de 0,00 ≥ 2 ≤ 1,19, 0,14 ≥ 22 ≤ 0,49. Vinte e dois experimentos foram realizados, tendo como respostas os ensaios de mini abatimento, compressão, absorção de água, índice de vazios e massa específica. Os resultados obtidos neste trabalho demonstram que os resíduos Grits Tratados Termicamente (GTT) têm potencial de substituir o metacaulim em até 50% e serem utilizados na produção ligantes álcali ativados. O ligante álcali ativado com 20% de substituição de metacaulim por GTT e proporção de ativadores igual a 0,6 apresentou a melhor resistência a compressão (21,86 MPa). O maior espalhamento, menor absorção de água e índice de vazios, foram obtidos na pasta com 50% de substituição de metacaulim por GTT e proporção de ativadores igual a 0,7. As misturas estudadas com substituição de até 50% de metacaulim por GTT apresentaram boas propriedades físicas, demonstrando viabilidade técnica do uso do resíduo grits da indústria de papel e celulose para a produção de ligantes álcali ativados. In the present work, the potential use of grits, waste from the pulp and paper industry generated in the Kraft process, in the production of activated alkali binders was evaluated. The grits were heat treated in order to make them more reactive. Activated alkali ligands are constituted by the C-A-S-H gel, which require calcium oxide in their composition for their formation. This work proposed parameters for the heat treatment of the grits, in order to decarbonate the calcite and verify the reactivity of the resulting component, calcium oxide, in the mixture. The heat treatment results were efficient, demonstrating that high levels of calcium oxide were generated. Activated alkali binders based on metakaolin and heat-treated grits were produced, using as activating solution: sodium silicate, sodium hydroxide and water. The activated alkali ligands produced have a Na2SiO3/NaOH ratio of 2.5 and a water/(metakaolin+grits) ratio of 0.50. In the dosage of activated alkali binders, the percentage of metakaolin replacement by grits varies from 0 to 50%, the proportion of activators in dry mass from 0.4 to 1.0 and curing time from 2 to 28 days. The variation of the molar ratio of oxides was 0,00 ≥ 2 ≤ 1,19, 0,14 ≥ 22 ≤ 0,49. Twenty-two experiments were carried out, having as answers the tests of mini slump, compression, water absorption, void index and specific mass. he results obtained in this work demonstrate that Thermally Treated Grits (GTT) residues have the potential to replace metakaolin by up to 50% and be used in the production of activated alkali ligands. The activated alkali binder with 20% replacement of metakaolin by GTT and proportion of activators equal to 0.6 showed the best compressive strength (21.86 MPa). The highest spreading, lowest water absorption and void index were obtained in pastes with 50% metakaolin replacement by GTT and activator proportion equal to 0.7. The mixtures studied with replacement of up to 50% of metakaolin by GTT showed good physical properties, demonstrating the technical feasibility of using residue grits from the pulp and paper industry for the production of activated alkali binders. Dissertação (Mestrado)

The co-presence of geopolymers and cellulose in clay-based materials could improve their performances. Thus, cured NaOH-activated heated clay-cellulose (up to 10 mass%) composites were prepared, and their microstructural characteristics were investigated. Moreover, the effect of waste glass addition on the composites characteristics was evaluated. The results showed that zeolite (chabazite) and sodium carbonate were formed from metakaolin and by carbonation respectively, and the zeolization process slowed down after 5 days of curing because of ions immobilization. The coating of metakaolin particles by the amorphous cellulose II-Na formed reduced drastically the formation of zeolite. The presence of cellulose II-Na resulted in the porosity decrease, and consequently the mechanical strength and density enhanced. The results also showed that the kinetics of water absorption by the composites followed the pseudo-first order equation, and the rate constant was found to be 4.3 × 10−3 s−1. Moreover, the reinforcing effect of the cellulose fibbers was annihilated by the formation of glass derivatives. Resumen: La co-presencia de geopolímeros y celulosa en materiales a base de arcilla podría mejorar sus rendimientos. De este modo, se prepararon compuestos de arcilla-celulosa calentada activados con NaOH (hasta un 10% en masa) y se investigaron sus características microestructurales. Además, se evaluó el efecto de la adición de residuos de vidrio sobre las características de los composites. Los resultados mostraron que la zeolita (chabasita) y el carbonato de sodio se formaron a partir de metacaolín y por carbonación, respectivamente, y el proceso de zeolización se ralentizó después de 5 días de curado debido a la inmovilización de iones. El recubrimiento de partículas de metacaolín por la celulosa amorfa II-Na formada redujo drásticamente la formación de zeolita. La presencia de celulosa II-Na resultó en la disminución de la porosidad y, en consecuencia, la resistencia mecánica y la densidad aumentaron. Los resultados también mostraron que la cinética de la absorción de agua por los compuestos siguió la ecuación de pseudo primer orden, y se encontró que la constante de velocidad era 4,3 × 10−3 s−1. Además, el efecto de refuerzo de las fibras de celulosa fue aniquilado por la formación de derivados de vidrio.

O constante consumo de energia e emissões de CO₂ são dos problemas centrais do século XXI. Inúmeros estudos têm vindo a ser realizados de modo a diminuir a pegada de carbono dos materiais utilizados diariamente, em particular os polímeros, nomeadamente a sua substituição por materiais provenientes de resíduos industriais que têm associadas menores emissões de CO₂ nas suas diversas fases do ciclo de vida. Neste sentido, desenvolveu-se uma parceria entre a Universidade de Aveiro e a Vulcano - Bosch Termotecnologia, S.A., de modo a estudar substitutos para o material utilizado como isolante acústico nas suas bombas de calor, a espuma de polipropileno (PPE), por soluções mais sustentáveis e com propriedades acústicas superiores ou semelhantes, envolvendo geopolímeros. Este trabalho incidiu em cinco tipos de geopolímeros: densos, porosos, compósitos geopoliméricos contendo cortiça, compósitos geopoliméricos contendo borracha e estruturas geopoliméricas em bi-camada. Geopolímeros porosos foram produzidos pela adição de pó de alumínio como agente porogéneo, variando o conteúdo do mesmo (entre 0,05 e 0,15%) e a concentração do ativador (6, 8 e 10 M). Os resultados indicam que o conteúdo de pó de alumínio inserido na pasta geopolimérica e a molaridade do NaOH influenciam propriedades fundamentais tal como a porosidade, a resistência mecânica e propriedades acústicas: o aumento do teor de agente porogéneo origina maior porosidade, resultando numa menor densidade e resistência mecânica, mas numa superior absorção do som, tendo-se obtido valores de coeficiente de absorção superiores a 0,70 num intervalo largo de frequências. Os compósitos geopoliméricos contendo cortiça e borracha foram produzidos contendo diferentes teores destes componentes (65 a 85 % de cortiça e 75 a 90 % de borracha). Tal como nos geopolímeros porosos, o aumento da quantidade de granulados diminui a densidade e aumenta a absorção acústica dos materiais, mas afeta negativamente a sua resistência mecânica, condutividade térmica e perda por transmissão sonora. O compósito com 80% de cortiça combina bom desempenho acústico (coeficientes de absorção acústica superiores a 0,5 num intervalo largo de frequências e valores de perda do som por transmissão semelhantes ao do PPE, embora ligeiramente inferiores) e satisfatória resistência à compressão (superior a 0,5 MPa). Com base nos resultados obtidos, desenvolveram-se estruturas em multicamada que permitem obter uma elevada performance acústica, tanto por absorção como por transmissão. Estas estruturas são constituídas por duas camadas, uma densa e outra correspondente ao compósito com cortiça ou borracha, variando-se a espessura das mesmas. Os compósitos apresentaram densidade relativamente elevada, compreendida entre 0,64 e 0,94 g/cm₃, um parâmetro a otimizar futuramente, resistência mecânica adequada, coeficientes de absorção do som elevados, aproximados a 1 em certas frequências, e valores de perda do som por transmissão semelhantes ao do PPE, demonstrando potencial interessante como isolante acústico das bombas de calor. Constant energy consumption and CO₂ emissions are central problems of the 21st century. Numerous studies have been carried out in order to reduce the carbon footprint of materials used daily, in particular polymers, namely their replacement by materials produced from industrial waste that have associated lower CO₂ emissions in the distinct phases of the life cycle. In this sense, a partnership was developed between University of Aveiro and Vulcano - Bosch Termotecnologia, S.A., in order to replace the material used as acoustic insulator in their heat pumps, the polypropylene foam (EPP), by an eco-friendlier material and with superior or similar acoustic properties, the geopolymer. This work developed five types of materials: dense geopolymers, porous geopolymers, geopolymeric composites containing cork, geopolymeric composites containing rubber and bi-layered geopolymeric structures. Porous geopolymers were produced using aluminum powder as the pore forming agent, varying its content (between 0.05 and 0.15%) and the activator concentration (6, 8 and 10 M). Results indicate that the content of aluminum powder inserted in the geopolymeric paste and the molarity of NaOH influence fundamental properties such as porosity, mechanical strength and acoustic properties: the increase in the pore forming agent content results in greater porosity, therefore in lower density and mechanical resistance, but higher sound absorption, with coefficient values above 0,70 over a wide range of frequencies. Geopolymeric composites containing cork and rubber (65 to 85% of cork and 75 to 90% of rubber) were produced. As in the porous geopolymers, the increase of the amount of granules inserted diminishes the density and enhances the acoustic absorption of materials, but negatively affect the mechanical resistance, thermal conductivity and sound loss transmission. The composite with 80% cork combines good acoustic performance (sound absorption coefficients greater than 0,5 in a wide range of frequencies and values of sound loss transmission similar to those of EPP) and satisfactory resistance to compression (higher at 0,5 MPa). Based on the results obtained, multilayer structures were developed that show high acoustic insulation, both by absorption and transmission. These structures are constituted by two layers, one dense and the other corresponding to the composite with cork or rubber, varying their thickness. The composites presented a high density, between 0,64 and 0,94 g/cm₃, a parameter to be optimized in future studies, but an adequate mechanical strength, very high sound absorption coefficients, approaching 1 at certain frequencies, and sound loss transmission values similar to the EPP, demonstrating an interesting potential as an acoustic insulator of heat pumps. Mestrado em Engenharia de Materiais

espanolEl creciente interes por el desarrollo de alternativas frente al uso masivo de cementantes tradicionales en aplicaciones geotecnicas, tales como cemento y cal, se debe en gran medida a los retos ambientales y costos asociados en este tipo de aplicaciones. Los cementantes activados alcalinamente surgen como una de las alternativas de mayor sostenibilidad, particularmente por su bajo consumo energetico y en teoria la baja huella de carbono en su fabricacion; ademas, tienen la posibilidad de utilizar residuos y subproductos industriales como materiales precursores en su fabricacion. Este articulo presenta un estado del arte de los diversos materiales empleados convencionalmente en la estabilizacion quimica de suelos y realiza una revision de los articulos publicados en relacion con la implementacion de cementantes activados alcalinamente, su viabilidad tecnica, los impactos ambientales asociados y los retos que se deben superar para lograr posicionarlos como una alternativa sostenible para procesos geotecnicos. EnglishThe growing interest in the development of alternatives to the use of traditional binders in geotechnical applications, such as cement and lime, is largely due to the environmental challenges and associated costs in this type of applications. Alkali-activated binders emerge as one of the most sustainable alternatives, particularly because of their low energy consumption and in theory the low carbon footprint in their manufacture. In addition, this type of binders have the possibility of using industrial waste and by-products as precursor materials in their production process. This article presents a state of the art of the various materials conventionally used in the chemical stabilization of soils and performs a review of published articles in relation to the implementation of alkali-activated binders. The technical feasibility, the environmental impacts associated, the challenges that must be overcome in order to position them as a sustainable alternative for geotechnical processes, and the advantages and disadvantages of its application are considered.

En este artículo se evalúa la influencia de la andradita en la resistencia mecánica de un geopolímero sintetizado a partir de escoria blanca de horno convertidor y escoria negra de horno eléctrico. Como activadores se utilizó hidróxido de sodio 12 M y silicato de sodio 5 M. El hidróxido de sodio se mantuvo constante en 5% y en 15% en silicato de sodio. Se añadió material cerámico en proporciones del 5%,10%, 15% y 20%. El curado de la pasta se hizo a temperatura ambiente durante 24 horas. El tamaño de partículas de la escoria blanca y del material cerámico fue de 150 μm. Se utilizó XDR y MEB para analizar los posibles mecanismos de formación de la andradita y del carbonato de calcio. Se fallaron las muestras en la maquina universal de ensayos. Se determinó la influencia de los compuestos químicos formados en la resistencia a la compresión. Los resultados indican que las condiciones propuestas son adecuadas para la formación estructuras cristalinas propias de los materiales geopoliméricos

Orientador: Miriam Gonçalves Miguel Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo Resumo: Os impactos ambientais decorrentes da indústria da construção civil têm sido, cada vez mais, motivos de preocupação da sociedade e da comunidade científica. A indústria do cimento Portland é responsável por consideráveis emissões de CO2 e a utilização dos agregados convencionais representa um elevado consumo de recursos naturais não renováveis. Por isso, deve-se buscar alternativas para serem aplicadas na construção civil. Dentre as práticas sustentáveis utilizadas na construção civil, estão a redução de resíduos gerados e a escolha por materiais que promovam a substituição de recursos naturais, dentre eles os resíduos gerados nas atividades industriais, comerciais e agrícolas. Neste contexto, apresentam-se os aglomerantes álcali-ativados, materiais que representam produção mais limpa por permitir a utilização de resíduos na sua composição e incorporar componentes diferentes ao cimento Portland. Assim, o presente trabalho tem o objetivo de avaliar a utilização do resíduo do Isolador Elétrico de Porcelana em substituição a areia natural em argamassas álcali-ativadas. Hidróxido de Sódio (NaOH) e cinza da casca de arroz foram utilizados para a produção do ativador alcalino e o metacaulim como fonte de aluminossilicato. Para isso, o trabalho foi dividido em três fases, caracterização dos materiais (Fase 1), produção do Silicato de Sódio e estudo da incorporação do resíduo de porcelana (Fase 2) e avaliação do desempenho das propriedades nos estados fresco e endurecido, durabilidade e microestrutura das argamassas álcali-ativadas (Fase 3). As argamassas álcali-ativadas apresentaram bons resultados de resistência a compressão, resistência à tração na flexão, boa aderência em substrato existente e considerável módulo de elasticidade, indicando potencial de utilização como material de reparo, embora o resíduo de porcelana não promoveu reação pozolânica. A quantidade do resíduo de porcelana nas argamassas influenciou diretamente a permeabilidade ao ar, a absorção capilar e a absorção total de água. A presença do resíduo inibiu o surgimento de eflorescência e evitou a lixiviação de alguns elementos presentes nos materiais de origem. De uma maneira geral, o resíduo de porcelana apresentou viabilidade para a substituição da areia natural na produção de argamassas álcali-ativadas, oferecendo utilização sustentável por garantir sua correta destinação final Abstract: The environmental impacts from civil construction industry have been increasingly the concern for society and the scientific community. The Portland cement industry is responsible for considerable CO2 emissions and the use of conventional aggregates represents a high consumption of non-renewable natural resources. Therefore, it is necessary to look for alternatives to be applied in civil construction. Among the sustainable practices used in civil construction are the reduction of waste generated and the choice of materials that promote the replacement of natural resources, including waste generated in industrial, commercial and agricultural activities. In this context, alkali-activated binders are presented. These materials represent cleaner production by allowing the use of waste in its composition and incorporating different components to Portland cement. Thus, the present work aims to evaluate the use of the Porcelain Electric Insulator waste to replace the natural sand in alkali-activated mortars. Sodium hydroxide (NaOH) and rice ash were used to make a sodium silicate which was used as alkali activator, and metakaolin was the aluminosilicate source. For this, the work was divided into three phases, characterization of materials (Phase 1), production of Sodium Silicate and study of the incorporation of porcelain waste (Phase 2) and evaluation of the performance of the properties in the fresh and hardened states, durability and microstructure of alkaliactivated mortars (Phase 3). The alkali-activated mortars presented good results in compressive and flexural strengths, bond strength and considerable modulus of elasticity, indicating potential of use as repair material, although the porcelain residue did not promote a pozzolanic reaction. The amount of porcelain residue in the mortar directly influenced air permeability, capillary suction and water absorption. The presence of the residue inhibited the appearance of efflorescence and prevented the leaching of some elements present in the source materials. In general, the porcelain residue presented feasibility for the replacement of natural sand in the production of alkali-activated mortars, offering sustainable use by guaranteeing its correct final destination Doutorado Saneamento e Ambiente Doutor em Engenharia Civil

El presente trabajo ha sido enfocado a la obtención de morteros geopoliméricos por activación alcalina y su posterior evaluación de las propiedades físicas, mecánicas y micro estructurales. La activación alcalina se realizó con dos tipos de activadores a 12M: Hidróxido de sodio (NaOH) e hidróxido de sodio con adición de silicato de sodio Na(OH)+Na2SiO3, a partir de ceniza volcánica y distintos agregados finos peruanos (arena de Arequipa y arena de Lima). Se empleó una relación líquido:sólido de 0.1, una relación de solidos de 1:1, la adición de silicato de sodio al 25% en la solución activadora de Na(OH) y la influencia de agregados finos de distinta procedencia (Arequipa y Lima) para formación de morteros geopolímeros. Las probetas fueron obtenidas por el método de compactación y endurecimiento en condiciones de curado preestablecidas (48 h a 80°C). Se determinó la composición química y analizó el comportamiento térmico de los materiales precursores. Asimismo, los morteros geopoliméricos fueron sometidos a ensayos de difracción de rayos X, absorción y densidad, resistencia mecánica a la compresión y microscopia electrónica de barrido. Como resultado, se observó que la disolución de las partículas de ceniza volcánica y formación de matriz geopolimérica aumenta en presencia de NaOH con la arena de Arequipa. La resistencia a la compresión de los morteros sintetizados a partir de la ceniza volcánica presentó valores en el rango de 11.38 MPa y 24.57 MPa a los 28 días de curado por lo que se contempla su posible uso como material de construcción.

O setor da mineração representa uma atividade essencial para a economia do Brasil, representando cerca de 4% do PIB. Em contrapartida, geram um volume expressivo de resíduos decorrentes dos processos de lavra e beneficiamento, colocando o setor como o maior produtor mundial de resíduos. Ademais, a pressão pública alicerçada nas tragédias ocorridas em Brumadinho e Mariana, a proximidade de áreas urbanas e a dificuldade para novos licenciamentos forçam o setor de mineração a apoiar a utilização de novas alternativas para assim, garantir sua sobrevivência. Com isso, torna-se necessário, estudos que viabilizem a adoção de alternativas sistemáticas de disposição do rejeito de minério de ferro. Como alternativa, destaca-se a técnica de empilhamento a seco de rejeitos, com a incorporação de um agente cimentante obtido através da álcali-ativação. Desta forma, o objetivo geral é analisar o comportamento mecânico de um sistema de estabilização de rejeito de minério de ferro submetido a ativação alcalina pelo método “One-Part” utilizando como precursor o metacaulim ativado por hidróxido de sódio e silicato de sódio. Uma Análise de Variância (ANOVA), realizada para avaliar a eficácia da Metodologia de Superfície de Resposta foi utilizada para estruturar o estudo, revelou que esta foi capaz de prever, com precisão satisfatória, os valores máximos de resistência à compressão das amostras consideradas. Ao otimizar o ligante alternativo obteve-se uma relação de 3,39 para a variável SiO2/Al2O3 e 0,49 para Na2O/SiO2. A metodologia e a análise microestrutural da matriz cimentante revelaram que ambas as variáveis analisadas não exercem influência após os 7 dias de cura e comprovaram a competitividade desse geopolimero ao compará-lo com o cimento Portland CP-V. comportamento tensão-deformação da amostra com dosagem otimizada foi obtido através de ensaios triaxiais, os quais revelaram um comportamento característico de solos estruturados, com valores de ϕˈpico de 45,6°, cˈpico de 157,5 kPa e ϕˈúltima de 42°. The mining sector represents an essential activity for the Brazilian economy, representing around 4% of GDP. On the other hand, they generate a significant volume of waste resulting from the mining and processing processes, placing the sector as the world's largest producer of waste. In addition, public pressure based on the tragedies that occurred in Brumadinho and Mariana, the proximity to urban areas and the difficulty in obtaining new licenses force the mining sector to support the use of new alternatives in order to guarantee its survival. With this, it becomes necessary, studies that enable the adoption of systematic alternatives for the disposal of iron ore tailings. As an alternative, the technique of dry stacking of tailings stands out, with the incorporation of a cementing agent obtained through alkali-activation. Thus, the general objective is to analyze the mechanical behavior of an iron ore tailings stabilization system subjected to alkaline activation by the "One-Part" method using metakaolin activated by sodium hydroxide and sodium silicate as precursor. An Analysis of Variance (ANOVA), performed to evaluate the effectiveness of the Response Surface Methodology was used to structure the study, and revealed that it was able to predict, with satisfactory accuracy, the maximum values of compressive strength of the samples considered. When optimizing the alternative ligand, a ratio of 3.39 was obtained for the variable SiO2/Al2O3 and 0.49 for Na2O/SiO2. The methodology and microstructural analysis of the cement matrix revealed that both analyzed variables do not exert influence after 7 days of curing and proved the competitiveness of this geopolymer when comparing it with Portland cement CP-V. The stress-strain behavior of the sample with optimized dosage was obtained through triaxial tests, which revealed a characteristic behavior of structured soils, with values of ϕˈpeak of 45.6°, cˈpeak de 157,5 kPa e ϕˈlast de 42°.

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil, A presente dissertação aborda e valida o uso de diferentes resíduos, nomeadamente de tijolos, resíduos de betão, resíduos cerâmicos e resíduos de vidro e a sua valorização no uso de materiais de construção ativados alcalinamente. A produção das referidas de pastas ativadas alcalinamente com uma ação conjunta desses vários resíduos com a cinza volante, teve como objetivo a otimização e obtenção de um bom desempenho mecânico para uso nos materiais de construção. Na realização das pastas ativadas alcalinamente foram usados ativadores alcalinos, nomeadamente o hidróxido de sódio (NaOH) e o silicato de sódio (Na2SIO3). Neste estudo foi realizada uma otimização das pastas ativadas alcalinamente com cinza volante da classe F com o modelo de superfície de resposta, usando como suporte essa otimização para a incorporação dos diferentes resíduos do estudo, procurando assim as melhores propriedades mecânicas para cada resíduo. Os resíduos foram misturados em diversas proporções, nomeadamente entre 5 e 50% de substituição do precursor usado nas pastas, conferindo os 20% de substituição com o melhor desempenho mecânico na maioria dos resíduos, exceto o resíduo de tijolo que foi na ordem dos 50% de substituição, provando estes materiais uma boa sinergia para o fabrico de pastas ativadas alcalinamente. O precursor (CV) do estudo obteve as melhores resistências mecânicas na ordem dos 40 MPa em relação a pastas com os diferentes tipos de resíduos, situando-se estas na ordem dos 20 MPa. No entanto, verificaram um desempenho mecânico satisfatório para o uso de novos materiais de construção., This dissertation addresses and validates the use of different waste, namely bricks, concrete waste, ceramic waste and glass waste and its valorization in the use of alkaline activated building materials. The production of referred to alkaline activated pastes with a joint action of these various residues with fly ash, aimed to optimize and obtain a good mechanical performance for use in construction materials. In making the alkaline activated pastes, alkaline activators were used, namely sodium hydroxide (NaOH) and sodium silicate (Na2SIO3). In this study, an optimization of the F-class alkaline activated fly ash pastes was performed with the response surface model, using as support this optimization for the incorporation of the different residues of the study, thus looking for the best mechanical properties for each residue. The residues were mixed in different proportions, namely between 5 and 50% replacement of the precursor used in the pulps, giving the 20% replacement with the best mechanical performance in most residues, except for the brick residue, which was around 50% these materials prove a good synergy for the manufacture of alkaline activated pastes. The precursor (CV) of the study obtained the best mechanical strengths in the order of 40 MPa in relation to pulps with different types of residues, these being in the order of 20 MPa. However, they found a satisfactory mechanical performance for the use of new construction materials.

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior As consequências relacionadas às formas atuais de disposição de rejeitos e a falta de incentivo em pesquisas focadas ao aproveitamento destes resíduos da mineração são, infelizmente, difíceis de esquecer. Este trabalho visa contribuir com o desenvolvimento de alternativas para a aplicação de rejeitos de minério de ferro, buscando reduzir a quantidade de rejeitos direcionados às barragens por meio do uso da tecnologia de geopolimerização. Este trabalho é composto por dois artigos. O primeiro artigo está relacionado ao uso dos rejeitos de minério de ferro como materiais de enchimento, denominados fillers, em geopolímeros utilizando a metodologia de uma parte (one-part). Para essa pesquisa, argamassas geopoliméricas a base de metacaulim foram produzidas com três diferentes rejeitos de minério de ferro atuando como fillers. A quantidade de rejeitos incorporados foi incrementada sem perdas de resistência mecânica. Observou-se que o elemento ferro, originário do rejeito, reagiu, substituindo o silício nos sítios tetraédricos do silicato original, ao formar os geopolímeros. O segundo artigo avaliou o uso dos rejeitos de minério de ferro como fontes de sílica na produção de um silicato de sódio alternativo, por meio de um processo mecano-termo-químico, para ser aplicado como ativador em aglomerantes geopoliméricos. Os geopolímeros sintetizados com o ativador alternativo apresentaram resistências à compressão comparáveis com aglomerantes produzidos a partir do cimento Portland convencional. The consequences associated to the current tailings disposal and lack of investments in research focused on the use of these mining tailings, unfortunately, are hard to forget. This work objects to contribute with the development of alternative uses of iron ore tailings, aiming to reduce the amount of these materials stored in dams, using the geopolymerisation technology. This work is composed by two papers. The first paper is related to the use of iron ore tailings as fillers in one-part geopolymers. For this research metakaolin-based geopolymer mortars were produced with three different iron ore tailings as fillers. The amount of incorporated tailings have varied, without loss mechanical resistance. It was observed that the element iron, originally from the tailings, have been incorporated into geopolymer in bonds with the original silicon tetrahedron. The second paper evaluated the use of iron ore tailings, as silica source, in the production of an alternative sodium silicate, through a mechano-thermo-chemical process, to be used as activator in one-part geopolymer binders. The geopolymers synthesised with the alternative activator have shown compressive strengths comparable to ordinary Portland cement binders.

Actualmente, los residuos de construcción y demolición (RCD) son los residuos mayormente generados a nivel mundial. En Colombia, se generan ~ 22 millones de toneladas de RCD por año, de las cuales 1 millón de toneladas se generan en Santiago de Cali; por lo tanto, la mitigación y reutilización de RCD son importantes para reducir el impacto ambiental del sector de la construcción. Este proyecto consistió en aplicar la tecnología de activación alcalina de RCD, para preparar pastas, morteros y concretos utilizando diferentes activadores alcalinos como silicato de sodio, sulfato de sodio e hidróxido de sodio. Se produjeron diferentes tipos de pastas geopoliméricas utilizando una mezcla de 80%RCD-20%cemento Portland y variando el contenido de silicato-Na, sulfato y NaOH. Los materiales desarrollados se caracterizaron microestructural, física y mecánicamente. Los resultados de la microscopía electrónica de barrido (SEM) y de la espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) mostraron que los productos de reacción eran geles N-A-S-H y (N, C) -A-S-H. Además, en las pastas activadas con sulfato de sodio, la etringita se identificó, mediante SEM y difracción de rayos X (XRD), como un producto de hidratación adicional. Los aglutinantes activados con sulfato de sodio (Na2O al 0,8%) (activador de estado sólido) reportaron resistencias a la compresión de hasta 18 MPa en pastas y 7 MPa en morteros a los 28 días. Para las mezclas de RCD activadas alcalinamente con silicato-Na+ NaOH, las resistencias a compresión alcanzaron hasta 40 MPa, por lo cual fueron aptas para la elaboración de concretos. Estos resultados brindan una oportunidad para la reutilización potencial de RCD en nuevos materiales de construcción ecológicos. El proyecto se realizo en las siguientes etapas: Etapa 1. Selección y recolección de la materia prima (RCD) Etapa 2. Acondicionamiento y caracterización de RCD Etapa 3. Diseño, formulación y síntesis de cementos vía activación alcalina. Etapa 4. Caracterización de los cementos de activación alcalina producidos.

Submitted by Anna Barbara Alves Beraldine (annabarbara@unisinos.br) on 2021-10-20T15:01:41Z No. of bitstreams: 1 Angélica Koppe_.pdf: 8286136 bytes, checksum: 30bc2048908f6e46a372fb07630be7f6 (MD5) Made available in DSpace on 2021-10-20T15:01:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Angélica Koppe_.pdf: 8286136 bytes, checksum: 30bc2048908f6e46a372fb07630be7f6 (MD5) Previous issue date: 2021-08-30 CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Os ligantes ativados por álcalis são produzidos a partir da reação entre precursores aluminossilicatos e uma solução ativadora alcalina. Apesar do atual desenvolvimento destes usados como precursores materiais cimentícios suplementares da indústria do cimento Portland, fontes naturais alternativas podem ser exploradas. Uma dessas fontes é constituída pelos recursos vulcânicos ácidos da Província Magmática do Paraná (PMP), que apresentam composição química e mineralógica favorável para a produção dos ligantes. Entretanto, devido à escassez de estudos alusivos ao uso destes é delineada a lacuna abordada com o objetivo de investigar a relação entre o desenvolvimento de ligantes ativados por álcalis e a caracterização químico-mineralógica de rochas vulcânicas ácidas de caráter vítreo, encontradas ao sul da PMP. Três rochas foram usadas e caracterizadas quantitativamente quanto à composição química e mineralógica, formação geológica e forma física após cominuição. A fim de averiguar o seu potencial, foram usadas diferentes condições de ativação: com e sem adição extra de silicatos solúveis, com e sem adição de CaO e duas temperaturas de cura hidrotérmica. A susceptibilidade de ativação foi avaliada mediante o desenvolvimento mecânico, consolidação da geopolimerização, análise de difração de Raios-X e do surgimento de eflorescência. Os resultados demonstraram que o potencial de ativação das rochas é influenciado pela composição química da fração amorfa dos precursores. Percebeu-se que as matrizes são melhoradas com a inserção da fonte CaO frente ao comportamento mecânico e consolidação da geopolimerização, entretanto, no que tange a eflorescência, maiores afloramentos foram identificados com a adição do CaO. Quanto à temperatura, percebeu-se que esta não influencia na consolidação da geopolimerização, mas induz ao melhor desempenho mecânico. A fonte de silicatos solúveis leva a melhores resistências mecânicas, porém não colabora com a consolidação da ativação, indicando a formação de produtos instáveis que não representam geopolímeros. Por fim, pode-se perceber que é possível produzir matrizes estáveis a partir das rochas estudadas, indicando melhores com a sobreposição dos efeitos da temperatura de 80 °C na cura e adição de CaO. Alkali-activated ligands are produced from the reaction between aluminosilicate precursors and an alkaline activating solution. Despite the current development of these used as supplemental cementitious materials precursors of the Portland cement industry, alternative natural sources can be explored. One of these sources is constituted by the acid volcanic resources of the Paraná Magmatic Province (PMP), which present a favorable chemical and mineralogical composition for the production of binders. However, due to the scarcity of studies alluding to their use, the gap addressed with the aim of investigating the relationship between the development of alkali-activated ligands and the chemical-mineralogical characterization of acidic volcanic rocks with a vitreous character, found south of the PMP, is outlined . Three rocks were used and quantitatively characterized for chemical and mineralogical composition, geological formation and physical form after comminution. In order to assess its potential, different activation conditions were used: with and without addition of extra soluble silicates, with and without addition of CaO and two hydrothermal curing temperatures. Activation susceptibility was evaluated by mechanical development, geopolymerization consolidation, X-ray diffraction and efflorescence appearance analysis. The results showed that the activation potential of rocks is influenced by the chemical composition of the amorphous fraction of the precursors. It was noticed that the matrices are improved with the insertion of the CaO source due to the mechanical behavior and consolidation of geopolymerization, however, with regard to efflorescence, larger outcrops were identified with the addition of CaO. As for the temperature, it was noticed that this does not influence the consolidation of geopolymerization, but induces better mechanical performance. The source of soluble silicates leads to better mechanical strength, but does not contribute to the consolidation of activation, indicating the formation of unstable products that do not represent geopolymers. Finally, it can be seen that it is possible to produce stable matrices from the studied rocks, indicating better results with the superposition of the effects of the temperature of 80 °C in the cure and addition of CaO.

A produção bruta de minério de ferro no Brasil tem gerado elevados volumes de rejeito, comumente dispostos em barragens à montante. Este método de disposição tem provocado, recentemente, acidentes considerados graves ou muito graves. Além disso, o setor da construção civil tem causado impactos ambientais no que se refere ao uso de recursos minerais e emissão de CO2. Nesse sentido, pesquisas têm sido realizadas na busca por aglomerantes alternativos que incorporem rejeitos de barragens. Um dos aglomerantes capazes de substituir o cimento Portland, em algumas situações, é o cimento geopolimérico. A pasta geopolimérica, geopolímero, é elaborada pela ativação alcalina de aluminossilicatos amorfos, utilizando, comumente, ativadores em solução (two part). Alguns dos estudos utilizam rejeitos de minério de ferro como precursor, porém poucos trabalhos que incorporam esses rejeitos utilizam o método one part. Esta pesquisa avalia a síntese de geopolímeros utilizando lama de rejeito de minério de ferro (LMF) em substituição, em massa, a 12,5%, 22,5% e 50,0% do metacaulim, e como ativadores sólidos NaOH e Na2SiO3. Imediatamente após a síntese das pastas, foi realizada a calorimetria isotérmica. Após 28 dias de cura em temperatura ambiente, a ocorrência da ativação alcalina foi avaliada por difração de raio X, por espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier, calorimetria e ensaios físicos-mecânicos. Os resultados indicaram que a adição de LMF reduziu o calor de reação liberado na síntese do geopolímero, assim como a ocorrência da ativação alcalina para todas as formulações analisadas. No entanto, observou-se que o uso LMF atua de forma a aumentar a porosidade e absorção de água nas amostras sintetizadas, além de reduzir a resistência de compressão nas idades de 21 e 28 dias. Tais resultados indicam que o LMF não atuou como filler, agindo como diluidor do metacaulim e/ou adição porosa. Contudo, aos 3 e 7 dias, o uso de LMF não influenciou na resistência à compressão dos geopolímeros, o que poderia indicar que a proporção da solução ativadora (água + ativadores sólidos) era a adequada nestas idades, comprometendo a reação em idades mais avançadas. The gross production of iron ore in Brazil has generated high volumes of tailings, commonly disposed of in upstream dams. This disposal method has recently caused accidents, considered severe or very severe. Furthermore, the construction sector has caused environmental impacts with regard to the use of mineral resources and CO2 emissions. To this effect, research has been conducted in the search for alternative binders that incorporate dam tailings. One of the binders capable of replacing Portland cement, in some situations, is geopolymer cement. The geopolymeric paste, geopolymer, is produced by alkaline activation of amorphous aluminosilicates, commonly using activators in solution (two part). Some of the studies use iron ore tailings as the precursor, but few studies that incorporate these tailings use the one part method. This research evaluates the synthesis of geopolymers using iron ore tailings slurry (IOT) as a mass substitution for 12.5%, 22.5% and 50.0% of metakaolin, and NaOH and Na2SiO3 as solid activators. Immediately after the synthesis of the slurries, isothermal calorimetry was performed. After 28 days of curing at room temperature, the occurrence of alkaline activation was evaluated by X-ray diffraction, by Fourier transform infrared spectroscopy, calorimetry, and physical-mechanical tests. The results indicated that the addition of IOT reduced the heat of reaction released in the synthesis of the geopolymer, as well as the occurrence of alkaline activation for all formulations analyzed. However, it was observed that the use of IOT acts to increase the porosity and the water absorption in the synthesized samples, besides reducing the compressive strength at ages 21 and 28 days. Such results indicate that the IOT did not act as a filler, acting as a dilutant of the metakaolin and/or porous addition. However, at 3 and 7 days, the use of IOT did not influence the compressive strength of geopolymers, which could indicate that the proportion of the activator solution (water + solid activators) was adequate at these ages, jeopardizing the reaction at later ages.

The Alkali-Activated Materials (AAM) are defined as materials obtained through the reaction between precursors and activators, and are separated into two classes depending on the products formed in the reaction, those rich in calcium, as the blast furnace slag, whose Ca/(Si+Al) ratio is higher than 1; and poor in calcium, which is the geopolymers subclass. In this review article, some bibliographical aspects were discussed regarding the discovery of these materials, through research conducted by Victor Glukhovsky and through the characterization of historical monuments by Davidovits, which began in the 50s and 60s and persist to the present day. The main products obtained in the alkaline activation reaction were also addressed, using the definition of polysialates and zeolites, in the case of geopolymers, and the tobermorite structure, in the case of materials rich in calcium. The main steps of the alkali-activated reaction, such as dissolution, condensation, polycondensation, crystallization, and hardening, were discussed. Some techniques for characterizing the AA reaction products were also examined, such as X-ray diffraction (XRD), nuclear magnetic resonance spectrometry (NMR), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and scanning electron microscopy (SEM). Finally, the main factors that interfere in the kinetics of AA reactions were explored, in which the type of cure and the activating solution used in the alkali-activated materials production stands out. resumo: Os materiais álcali ativados (MAA) são definidos como materiais obtidos por intermédio da reação entre precursores e ativadores, e são separados em duas classes dependendo dos produtos formados na reação, os ricos em cálcio, como é o caso da escória de alto forno, cuja relação Ca/(Si+Al) é maior do que 1; e pobres em cálcio, que constitui a subclasse dos geopolímeros. Nesse artigo de revisão foram discutidos alguns aspectos bibliográficos a respeito da descoberta desses materiais, por meio de pesquisas realizadas por Victor Glukhovsky e por meio da caracterização de monumentos históricos por Davidovits, que se iniciaram nas décadas de 50 e 60 e persistem até os dias atuais. Também foram abordados os principais produtos obtidos na reação de ativação alcalina, utilizando a definição de polissialatos e zeólitas, no caso dos geopolímeros, e da estrutura da tobermorita, no caso dos materiais ricos em cálcio. As principais etapas da reação álcali ativadas, como dissolução, condensação, policondensação, cristalização e endurecimento, foram debatidas. Algumas técnicas para caracterização dos produtos da reação AA também foram examinadas, tais como difração de raios-X (DRX), espectrometria de ressonância magnética nuclear (RMN), espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Por fim, foram explorados os principais fatores que interferem na cinética das reações AA, onde destaca-se o tipo de cura e de solução ativadora utilizada na produção dos MAA.

Efflorescence can be harmful to material performance as a consequence of microstructural changes due to leaching and carbonation of alkalis. This article identifies mechanisms of efflorescence in metakaolin-based geopolymers, and approaches to reduce free/mobile alkali cations and pore network connectivity, and hence reduce efflorescence. Mechanical, mass transport and microstructural properties are assessed in metakaolin-based geopolymer cements produced using different alkali concentrations in the alkali activator and substitution/addition of blast furnace slag, silica fume, calcium aluminate cement, silicone oil and a dispersive admixture. The most effective strategy to reduce efflorescence results from increasing Si/Al in the geopolymer gel by addition of soluble silicate, silica fume or silicone oil. Addition of calcium aluminate cement or a dispersive admixture also reduce efflorescence, but are less effective. These results confirm that efflorescence may be reduced by controlling the amount of soluble silicates and reducing free alkali cations in geopolymers, providing enhanced performance and durability.

La empresa Geopolímeros SAS, para mejorar la gestión de proyectos que actualmente lleva a cabo, requiere aplicar la herramienta Lecciones Aprendidas propuesta por el Project Management Institute (PMI, 2017). En consecuencia, el objetivo general es proponer el plan de implementación del proceso de gestión para las lecciones aprendidas. Para alcanzarlo, se siguió el tránsito metodológico a través del paradigma positivista, enfoque cuantitativo, diseño de campo bajo la aplicación de la técnica encuesta con su correspondiente instrumento cuestionario, el cual contuvo 23 ítems relativos a las variables en estudio. The company Geopolímeros SAS, in order to improve the management of its projects, requires applying the Lessons Learned tool proposed by the Project Management Institute (PMI, 2017). Consequently, the general objective was to propose the implementation plan of the management process for the lessons learned. To achieve it, the methodological transition was followed through the positivist paradigm, quantitative approach, field design under the application of the survey technique with its corresponding questionnaire instrument, which had twenty-three items related to the variables under study. Maestría Magíster en Gestión y Evaluación de Proyectos de Inversión

[ES] Actualmente, una de las industrias que más acciones realiza no compatibles con el desarrollo sostenible es la del cemento Portland ya que su fabricación requiere un gran consumo de energía y el uso de combustibles fósiles. Además, los altos volúmenes de CO2 emitidos en la producción del cemento Portland son cada vez más preocupantes y causantes de aproximadamente entre el 5-7% del total de la emisión de dicho gas de efecto invernadero. Por este motivo, son muchos los estudios que buscan alternativas amigables con el medio ambiente que puedan minimizar estos factores. Entre ellos está la investigación del uso de conglomerantes activados alcalinamente que permiten la reutilización e incorporación de residuos de diversos orígenes y puede minimizar tanto las emisiones de CO2 como también el consumo de energía. Los conglomerantes de activación alcalina o geopolímeros están compuestos por un precursor sólido de naturaleza silico-aluminosa (generalmente un residuo industrial o agrícola) que se activan mediante una disolución acuosa de elevada alcalinidad (silicatos sódicos/potásicos e hidróxidos sólidos/potásicos). Los constituyentes de la disolución activadora son reactivos químicos comerciales de elevado impacto medio ambiental. El presente trabajo tiene como finalidad utilizar la ceniza de cáscara de almendra (ABA) procedente de la industria agrícola como fuente de potasio para la elaboración del activador alcalino. Para estudiar la viabilidad de la ABA como activador alcalino en primer lugar se ha hecho una caracterización físico-química del residuo. Posteriormente, se realizan pastas y morteros activados alcalinamente utilizando la ABA como fuente de potasio para preparar el activador alcalino con distintas dosificaciones. Se estudian las resistencias mecánicas de los morteros y se realiza la caracterización microestructural de las pastas. Los resultados se comparan con los obtenidos cuando se utiliza como activador alcalino el producto comercial KOH. En todos los casos el material escogido como precursor ha sido la escoria de alto horno. Como conclusión del presente trabajo se puede afirmar que al utilizar la ceniza de cáscara de almendra como activador alcalino se obtienen características mecánicas superiores a los alcanzados por el reactivo químico comercial. El presente estudio de investigación abre una puerta a la reutilización de esta ceniza de biomasa, así como supone el inicio de un estudio que puede ampliarse en varias direcciones como son el uso de otros precursores, estudio del ciclo de vida de los conglomerantes con ABA o estudios de durabilidad entre otros., [EN] Currently, one of the industries that carries out the most actions that are not compatible with sustainable development is the Portland cement industry where the cement manufacturing requires a large consumption of energy and the use of fossil fuels. In addition, the high volumes of CO2 emitted in its productions are worrying and causing approximately 5-7% of the total emission of said greenhouse gas. For this reason, many studies are looking for environmentally friendly alternatives that can minimize these factors. Among them is the investigation of the use of alkaline-activated binders that allow the reuse and incorporation of waste from various sources and can minimize both CO2 emissions and energy consumption. The alkaline or geopolymer activation binders are composed of a solid precursor of silico-aluminous nature (generally an industrial or agricultural residue) that are activated by an aqueous solution of high alkalinity (sodium / potassium silicates and solid / potassium hydroxides). The constituents of the activator solution are commercial chemical reagents of high environmental impact. The purpose of this work is to use almond shell ash (ABA) from the agricultural industry as a source of potassium for the preparation of the alkaline activator. To study the viability of ABA as an alkaline activator, a physical-chemical characterization of the residue has been done first. Subsequently, alkaline activated pastes and mortars are made using ABA as a source of potassium to prepare the alkaline activator with different dosages. The mechanical resistance of the mortars is studied, and the microstructural characterization of the pastes is carried out. The results are compared with those obtained when the commercial product KOH is used as an alkaline activator. In all cases the material chosen as a precursor has been blast furnace slag. As a conclusion of the present work, it can be affirmed that when using the almond shell ash as an alkaline activator, mechanical characteristics superior to those achieved by the commercial chemical reagent are obtained. The present research study opens a door to the reuse of this biomass ash, as well as the beginning of a study that can be expanded in several directions such as the use of other precursors, study of the life cycle of conglomerates with ABA or durability studies among others.

FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais Geopolímeros são materiais álcali-ativados com baixo teor de cálcio e pesquisados como alternativa ao cimento Portland em algumas aplicações na construção civil. Muitos dos precursores de geopolímeros, como metacaulins, também são materiais pozolânicos ou fíler em compostos cimentícios. Isto poderia sugerir alguma correlação entre pozolanicidade e geopolimerização. Neste contexto, o objetivo deste estudo é analisar a influência da pozolanicidade na ativação alcalina de precursores constituídos por metacaulim e materiais com alto teor de sílica e diferentes pozolanicidades. Metacaulim, sílica ativa, cinza de casca de arroz, vidro soda-cal âmbar e areia quartzosa fina foram caracterizados quanto à superfície específica BET, granulometria e análise de difração de raios X/refinamento de Rietveld. A atividade pozolânica foi avaliada por meio do ensaio Chapelle Modificado e termogravimetria em pastas de cimento. Em função desses resultados, foram sintetizados geopolímeros com e sem substituição de metacaulim por 15% de cinza de casca de arroz e areia quartzosa fina. O ativador alcalino foi uma mistura de NaOH 8 mol/L e silicato de sódio. Ensaios de resistência à compressão e análises de difração de raios X, espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier e microscopia eletrônica de transmissão foram empregados para avaliar a geopolimerização. Os resultados indicam que o metacaulim e sílica ativa possuíram maiores valores de superfície específica e teor de cal fixada na análise de TGA. Contudo, a cinza de casca arroz obteve maior pozolanicidade no ensaio Chapelle Modificado. A areia quartzosa fina, por sua vez, apresentou comportamento não pozolânico. Isto indica que a pozolanicidade dos materiais em pasta de cimento aumentou em função da superfície específica BET e que, no ensaio Chapelle Modificado, a aglomeração de partículas finas pode subestimar a atividade pozolânica. Entretanto, as diferenças de pozolanicidade entre metacaulim, cinza de casca de arroz e areia quartzosa pouco influenciaram na resistência à compressão dos geopolímeros produzidos. Isto estaria relacionado à elevada reatividade do silicato de sódio, que poderia mitigar o efeito da pozolanicidade dos materiais usados nos precursores. Além disto, o efeito fíler do quartzo e cinza de casca de arroz parece ter sido importante para a densificação da microestrutura dos geopolímeros. Os espectros de difração de raios X e espectroscopia no infravermelho mostram a formação de novas estruturas pela ativação alcalina. Também, imagens de microscopia eletrônica de transmissão e difração de elétrons revelaram a formação de estruturas amorfas e particuladas típicas de N-A-S-H gel. Isto indica que as estruturas formadas pela ativação alcalina são devidas à geopolimerização do metacaulim e que o efeito fíler favoreceu o desempenho mecânico dos geopolímeros. Geopolymers are low calcium alkali-activated materials. These materials are studiedas an alternative tocement in some civil construction applications. Many geopolymer precursors, such as metakaolin,also are pozzolanic or fillers materials incementitious composites. It suggests a possible correlation between pozzolanicity and geopolymerization. Then, this paper aims to analysethe influence of the pozzolanicity on the alkali activation of precursors constituted by metakaolin and different high silica materials. Metakaolin, silica fume, rice ash husk, amber soda-lime glass and quartz sand were analyzed by means BET specific surface, granulometric curves, and XRD/Rietveld refinement analysis. Thepozzolanic activity was evaluated by the Modified Chapelle test and termogravimetric analysis in cement pastes. Based on these results, geopolymers with or without a 15%replacement of metakaolin by rice ash husk and quartz sandwere synthetized.The alkaline activator was an admixture ofNaOH 8M and sodium silicate. Analysis of compressive strength, XRD, FTIR,and TEM were employedto evaluate the geopolymerization. The results indicate that metakaolin and silica fume have higher BET values and fixed lime contents in cement pastes. However, the rice husk ash had higher pozzolanicity by the Modified Chapelle test.The quartz sand wasnot pozzolanic material.This indicates thatthe pozzolanicityindex of materials in cement pastesincreased as a function of its BET specific surface. In the Modified Chapelle test,the agglomeration of thinparticlescould be underestimating thepozzolanicity index. Although, the differences of pozzolanicity among metakaolin, rice husk ash, and quartz sand had little influence on the compressive strength of geopolymers. The high reactivity of sodium silicate could mitigate the pozzolanicity effect of precursors materials. Besides, the filler effect of quartz and rice husk ash could contributetothe densification of geopolymers microstructure. The FTIR and XRD spectra showthe formation of new structures by alkali activation. Also, TEM images and electrondiffraction analysis indicates the formation of amorphous and particulate structures typical of N-A-S-H gel. So, it indicatesthat the structures formed by alkali activation are due to the geopolymerization of metakaolin and that the filler effect enhancedthe mechanical strength of geopolymers.

Un geopolímero a base de metacaolin fue fabricado con 5 proporciones de dos nanomateriales diferentes. Por un lado, nanowhiskers de carburo de silicio y, por otro lado, nanopartículas de dióxido de titanio. Ambos fueron colocados en agua y recibieron energía ultrasónica para ser dispersados. Fueron analizadas los efectos sobre las propiedades mecánicas y la cinética de reacción. Comparados con la matriz de referencia, los resultados evidenciaron una tendencia al incremento de la resistencia a la flexión. Probablemente por la geometría de los nanowhiskers de SiC y el refinamiento de poros por las partículas de nano-TiO2. Las curvas de calorimetría mostraron que al incorporar nanopartículas de TiO2 se obtuvo una reducción del 92 % en el calor total, mientras que, los nanowhiskers de SiC produjeron una reducción del 25 % en el calor total.

Orientador: Gladis Camarini Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo Resumo: O aglomerante álcali-ativado (AAA) é visto como uma opção de menor impacto ambiental ao cimento Portland (CP). É resultante da mescla de uma fonte de aluminossilicato, usualmente sólido, com um ativador alcalino, normalmente uma solução aquosa de elevado pH. Face às dificuldades e riscos associados ao transporte e manuseio de soluções químicas viscosas e corrosivas em obra, surgiu o AAA de parte única. Nesse, ambas as matérias-primas são fornecidas como materiais sólidos já previamente misturados nas devidas proporções e para que a reação formadora do aglomerante aconteça, basta adicionar água, de modo similar ao CP. O presente trabalho teve como objetivo principal propor um AAA de parte única (processo de produção e produto) feito a partir de hidróxido de sódio (NaOH), sílica da casca de arroz (SCA) e metacaulim (MK). O estudo investigou a produção do aglomerante e também as influências de sua relação molar SiO2/Al2O3, do tipo de MK e do teor de água em propriedades mecânicas e durabilidade de pastas e argamassas. Diferentes métodos foram utilizados para a caracterização, tais como termogravimetria, resistências à tração na flexão e à compressão, entre outros. Em suma, o método de produção do AAA de parte única proposto é composto por uma etapa inicial de dissolução da SCA em solução de NaOH, sendo o material resultante seco em estufa e então moído, gerando um silicato de sódio alternativo (SSA). Após a mistura e homogeneização do SSA com o MK nas devidas proporções, o AAA de parte única é obtido. Os resultados mostraram que o método foi eficiente, gerando um material sólido que reage a partir da adição de água e adquire resistência mecânica. O aumento na relação molar SiO2/Al2O3 proporcionou maior resistência à compressão axial. O tipo de MK e o teor de água também se mostraram fatores de grande importância. A simples alteração da qualidade de MK proporcionou um aumento de quase 75% na trabalhabilidade e 62% na resistência à compressão axial. A diminuição no teor de água na mistura proporcionou acréscimo de resistência mecânica, porém com diminuição na trabalhabilidade. Argamassas produzidas com o AAA de parte única proposto alcançaram resistências à compressão entre 6 MPa – 35 MPa aos 28 dias. Resultados de ensaios de durabilidade indicaram que o AAA de parte única pode adquirir resistência ao ataque por sulfato ou por ácido. O presente trabalho apresenta indicativos sobre a viabilidade técnica da produção de um AAA de parte única usando materiais disponíveis em diferentes regiões do Brasil Abstract: Alkali-activated binder (AAB) is seen as an option to Portland cement (PC) with lower environmental impact. AAB is obtained from mix an aluminosilicate source, usually solid, with an alkaline activator, normally a high pH aqueous solution. One-part AAB was developed due to the difficulties and risks associated with the transportation and handling of viscous and corrosive chemical solutions on site. In it, both raw materials are supplied as previously mixed solid materials in proper proportions and for the reaction formation of binder just add water, similar to PC. The main goal of the present work was to purpose one-part AAB (production process and product) made with sodium hydroxide (NaOH), rice husk ash (RHA), and metakaolin (MK). The study investigated the binder production and also SiO2/Al2O3 molar ratio, MK type and water content influence on the mechanical properties and durability of one-part AAB based pastes and mortars. Different methods were used for characterization, such as thermogravimetry, flexural and compressive strength tests, among others. In summary, the one-part AAB production method is comprised of an initial step to dissolve RHA into NaOH solution, and the resulting material is oven-dried and then milled, generating an alternative sodium silicate (SSA). After mixing and homogenizing the SSA with the MK in proper proportions, the one part AAB is obtained. The results showed that the one-part AAB production method was efficient and generated a solid material, which reacts from the water addition and acquires mechanical strength. The increase in the SiO2/Al2O3 molar ratio generated higher compressive strength. The MK type and the water content also showed to be relevant factors. The simple change in MK type allowed an increase of almost 75% in workability and 62% in compressive strength. The water content decrease in mixture resulted in higher compressive strength with lower workability. Mortars produced with the proposed one-part AAB achieved a compressive strength ranging between 6 MPa – 35 MPa at 28 days. Durability test results showed one-part AAB can reach strength to sulfate or acid attack. The present work presents indicatives about the technical feasibility of producing one-part AAB using materials available in different regions of Brazil Doutorado Construção Doutor em Engenharia Civil CAPES 01-P-01879-2016

Os cimentos alcalinos surgiram recentemente como uma nova tecnologia para a produção de materiais com propriedades ligantes, como alternativa aos materiais tradicionais (por exemplo, cimento de clínquer Portland e cal), em resposta às limitações enfrentadas pelo atual uso em massa desses materiais tradicionais. Estes cimentos álcali-ativados têm se caracterizado por suas baixas emissões de CO2 e consumo de energia em seu processo produtivo, além da possibilidade de incluir resíduos e subprodutos de várias indústrias como precursores e ativadores para sua fabricação com respostas mecânicas comparáveis aos materiais tradicionais. Neste contexto, a presente pesquisa propõe inicialmente a síntese de diversos sistemas álcaliativados produzidos a partir de resíduos cerâmicos vermelhos (RCV) provenientes da indústria de construção e demolição, e cal de carbureto (CC), como subproduto da produção de gás acetileno, ativados com soluções de hidróxido de sódio, com o objetivo de determinar as condições de dosagem, entre precursores e ativador, que tendem a otimizar o desempenho mecânico deste cimento alternativo. Posteriormente, parâmetros chave em termos de resistência, rigidez e durabilidade são avaliados na melhoria dos solos granulares a partir da adição e ativação desses resíduos. Além disso, estudar a possibilidade de adaptar o parâmetro porosidade/volume teórico do agente cimentante (η/Biv) na estimativa da resposta mecânica. Em geral, foi possível definir condições de dosagem entre os materiais precursores e o ativador alcalino que tendem a maximizar a resistência e rigidez das pastas ativadas alcalinas, obtendo resistências à compressão de até 14,6 MPa em 7 dias de cura a temperatura ambiente. Foram identificados produtos de reação primária (géis cimentícios de composição muito heterogênea) do tipo C-S-H/C-A-S-H e silico-aluminatos alcalinos (C,N-A-S-H) coexistentes na matriz cimentícia. Foi verificado o efeito linear e quadrático da ordem crescente das adições do componente cimentício e da densidade de compactação, respectivamente, sobre a magnitude e a evolução da resposta mecânica do solo melhorado. Além disso, o efeito quadrático puro desta resposta mecânica foi determinado com a variação da concentração alcalina (%Na2O) tendendo a um valor ótimo independentemente da densidade e do conteúdo do precursor. Finalmente, foi possível correlacionar o índice η/Biv na previsão da resposta mecânica do solo melhorado, em função da concentração da solução alcalina para os diferentes tempos de cura. Estes podem ser usados como curvas de dosagem para aplicações práticas. Alkaline cements have recently emerged as a new technology for the production of materials with binding properties, as an alternative to conventional materials (e.g., Portland clinker-based cement and lime), in response to the major limitations currently faced by the mass use of these conventional binding materials. These alkali-activated cements have been characterized by low CO2 emissions and low energy consumption in their production process; in addition, they offer the possibility of including waste and by-products from various industries as precursor materials and activators for their manufacture, reporting mechanical responses comparable to traditional materials. In this context, the present research proposes initially the synthesis of several alkali-activated systems produced from red ceramic wastes (RCW), coming from the construction and demolition industry, and carbide lime (CL), as a by-product of acetylene gas production, activated with sodium hydroxide solutions, with the objective of determining the dosage conditions, between precursors and activator, that tend to optimize the mechanical performance of this alternative cement. Subsequently, key parameters in terms of strength, stiffness and durability are evaluated in the improvement of granular soils from the addition and activation of these residues. In addition, study the possibility of adapting the porosity/binder index (η/Biv) in the estimation of the mechanical response. In general, it was possible to define dosage conditions between the precursor materials and the alkaline activator that tend to maximize the strength and stiffness of the alkali-activated pastes, obtaining simple compressive strengths of up to 14.6 MPa in 7 days of curing at room temperature. A mineralogical and microstructural characterization of this new cement was carried out, identifying primary reaction products (cementitious gel of heterogeneous composition), type C-S-H/C-A-S-H and alkaline silico-aluminates (C,N-A-S-H) coexisting in the cementitious matrix. The linear and quadratic effect of increasing order of cementitious component additions and compaction density, respectively, on the magnitude and evolution of the mechanical response of the improved soil was verified. Moreover, the pure quadratic effect of this mechanical response was determined with the variation of the alkali concentration (%Na2O) tending to an optimal value regardless of the density and the precursor content. Finally, it was possible to correlate the η/Biv index in the prediction of the mechanical response of the improved soil, as a function of the concentration of the alkaline solution for the different curing times. These can be used as dosage curves for practical applications.

A técnica de estabilização de solos com uso de cimento Portland é bastante difundida para resolver problemas de solos com baixa capacidade de suporte. No entanto, a nível mundial, 7% das emissões de CO2, principal gás contribuinte para ao aquecimento global, são devidas ao setor cimenteiro. Então, na busca por materiais alternativos ao cimento Portland, estão os cimentos alcalinos, que podem utilizar como matéria-prima subprodutos e/ou resíduos, contribuindo ainda para a redução de resíduos dispostos no meio ambiente. Apesar de ser uma técnica muito recente, alguns trabalhos sobre álcali-ativação com resíduos contendo sílica e cálcio, como precursores para estabilização química de solos, têm demonstrado ótimos desempenhos em termos de resistência e durabilidade. Porém, a maioria desses estudos estão relacionados a caracterização laboratorial desta técnica, contudo, a viabilidade e o impacto do processo de construção associado a essas soluções alternativas, bem como o efeito das condições de cura in situ nas propriedades mecânicas do solo estabilizado não podem ser avaliados adequadamente em laboratório. Neste sentido, o presente estudou a utilização de um cimento alcalino a base dos resíduos, cal de carbureto e pó de vidro moído, com (CA) e sem (SA) a introdução de um ativador alcalino de hidróxido de sódio na mistura. Propondo uma alternativa ao uso do cimento Portland, para a estabilização de uma areia fina para base de fundações superficiais, executadas sobre um solo residual de baixa capacidade de suporte. Assim, foram executados ensaios com placa de 30 cm em camadas confeccionadas com diferentes diâmetros (Dr 45 e 90 cm) e igual espessuras (Hr 30 cm) com um período de 14 e 120 dias de cura, além disso, ensaios com condições controladas de laboratório foram executados para comparação com os ensaios realizados em campo e, ainda, corpos-de-prova retirados das camadas curadas em campo foram submetidos a ensaios triaxiais. Os resultados demostraram que, ensaios em condições controladas de laboratório apresentam resistência à compressão simples maior para as misturas com o ativador de NaOH, principalmente a menores tempos de cura, porém para o maior tempo analisado, a tendência é de que as resistências se equiparem com as da mistura sem o ativador. Quando comparados com os ensaios de campo, estes apresentaram maior resistência, sugerindo assim que resultados em campo mostram grande influência das condições de cura, compactação, entre outros. Os diferentes diâmetros analisados demostraram dois mecanismos de ruptura, um de puncionamento, para as camadas de diâmetros de 45 cm e a ruptura das camadas de 90 cm. Os ensaios triaxiais para as diferentes misturas apresentaram pico pronunciado com posterior queda de resistência com comportamento inicialmente compressivo, seguida de uma posterior expansão. Amostras com a mistura com o ativador alcalino de NaOH apresentaram maior tensão desvio, maior ângulo de atrito e maior coesão. Além disso, apresentaram queda de ruptura acentuada e maior rigidez do material quando comparadas com a mistura sem o ativador. Das soluções analíticas testadas para determinar a capacidade de carga, o método de Hansen (1961) foi o que se mostrou adequado para estimativa das camadas de Dr 45 cm para ambas as misturas e o método de Meyerhof e Hanna (1978), apresentou uma estimativa de capacidade de carga próxima à obtida da camada tratada de Dr 90cm confeccionada com a mistura SA. Porém, quando aplicados para as misturas CA de mesmo diâmetro, o método superestimou a carga de ruptura, entretanto foi o qual apresentou resultados mais próximos dos obtidos para a mesma. Soil improvement through the use of Portland cement is a widespread solution for the low bearing capacity of soils. However, the cement sector is responsible for 7% of CO2 emissions, the main gas contributing to global warming. In the search for alternative materials to Portland cement, there are alkaline types of cement, which can use by-products and/or residues as raw materials, contributing to the reduction of waste disposed of in the environment. Despite being a very recent technique, some studies on alkali-activation with residues containing silica and calcium, as precursors for chemical stabilization of soils, have shown excellent performances in terms of strength and durability. Most of these studies are related to laboratory characterization of this technique, however, the feasibility and impact of the construction process associated with these alternative solutions, as well as the effect of in situ curing conditions on the improved mechanical properties of the soil cannot be properly evaluated in the laboratory. In this sense, the present study evaluated the use of alkaline cement-based residues, carbide lime, and ground glass powder, with (CA) and without (SA) the introduction of an alkaline sodium hydroxide activator in the mixture. Proposing an alternative to the use of Portland cement, for the improvement of fine sand for the base of shallow foundations, executed on a residual soil of low bearing capacity. Tests were performed with a 30 cm plate in layers of different diameters (Dr 45 and 90 cm) and equal thicknesses (Hr 30 cm) with a curing period of 14 and 120 days, also, tests with controlled laboratory conditions were performed for comparison with the field tests and, further, specimens removed from the layers cured in the field were subjected to triaxial tests. The results showed that tests under controlled laboratory conditions present higher uniaxial compression strength for mixtures with the NaOH activator, mainly to shorter curing times, but for the longest time analyzed, the tendency is for the strength to be equal with those of the mixture without the activator. When compared to the field tests, they showed greater strength, suggesting that field values are greatly influenced by curing and compaction conditions. The different diameters showed two distinctive rupture mechanisms, one for punching, for the 45 cm diameter layers, and the 90 cm layer rupture. The triaxial tests for the different mixtures showed a pronounced peak with a subsequent drop in strength with initially compressive behavior, followed by a subsequent expansion. Samples with the mixture with the alkaline NaOH activator showed higher stress deviation, greater friction angle, and greater cohesion. Besides, they showed a marked drop in rupture and greater material stiffness when compared to the mixture without the activator. Of the analytical solutions tested to determine the bearing capacity, the Hansen method (1961) was the one that proved adequate for estimating the Dr 45 cm layers for both mixtures, and the method of Meyerhof and Hanna (1978), presented an estimate of load capacity close to that obtained from the treated layer of Dr 90cm made with the SA mixture. However, when applied to CA mixtures of the same diameter, the method overestimated the rupture load, however, it was the one that showed results closer to those obtained for the same combination.

[ES] La tierra es un material abundante, que tiene un bajo coste económico y medioambiental, y que presenta buenas propiedades para su uso como material de construcción. Por estos motivos, se utiliza habitualmente, sobre todo, contextos de subdesarrollo. Para mejorar sus propiedades se suele utilizar algún conglomerante que facilite su estabilización. Los estabilizantes habitualmente utilizados son la cal, mezclas de cal-puzolana, cemento portland, asfalto Estos estabilizantes tienen una elevada huella de carbono sobre todo el cemento portland. Los Objetivos de Desarrollo Sostenible promulgados por Naciones Unidas, ponen de manifiesto la necesidad de reducir la huella de carbono con el fin de mitigar el cambio climático (ODS 13 Acción por el Clima). Directamente relacionado con el ODS 13 se encuentra el Trabajo Fin de Grado presentado, que estudia las propiedades del suelo estabilizado con geopolimeros, que son materiales con una menor huella de carbono y que por tanto contribuirían a cuidar el planeta. Se daría un paso más tratando de reducir el coste económico de los geopolimeros para hacerlos accesibles a las personas con escasos recursos, para ello se estudiaría la posibilidad de sintetizarlos a partir de materiales de residuales, lo que supondría una reducción muy considerable en su coste económico. Se utilizarían catalizador gastado de craqueo catalítico y ceniza de cascarilla de arroz como materiales residuales., [EN] Soil is an abundant material, which has a low economic and environmental cost, and which has good properties for its use as a construction material. For these reasons, it is usually used, above all, contexts of underdevelopment. To improve its properties, some binder is usually used to facilitate its stabilization. The stabilizers usually used are lime, mixtures of lime-pozzolana, portland cement, asphalt ... These stabilizers have a high carbon footprint on all portland cement. The Sustainable Development Goals promulgated by the United Nations, highlight the need to reduce the carbon footprint in order to mitigate climate change (SDG 13 Climate Action). Directly related to ODS 13 is the Final Degree Project presented, which studies the properties of soil stabilized with geopolymers, which are materials with a lower carbon footprint and therefore contribute to "take care" of the planet. One more step would be taken trying to reduce the economic cost of geopolymers to make them accessible to people with scarce resources, for this the possibility of synthesizing them from waste materials would be studied, which would suppose a very considerable reduction in their economic cost. Spent catalytic cracking catalyst and rice husk ash would be used as waste materials.

Os geopolímeros têm se tornado alvo de pesquisas, devido às suas propriedades como ligante alternativo tanto para a construção civil ou como zeólita artificial. São obtidos pela ativação alcalina de materiais ricos em aluminossilicatos. O metacaulim, obtido por meio da calcinação do caulim, é a matéria-prima mais utilizada para a produção do geopolímero e pode ou não apresentar composição e estrutura adequada à geopolimerização. A literatura descreve que o geopolímero, também, pode ser obtido a partir de aluminossilicatos produzidos pelo processo sol-gel. Este processo consiste na síntese de compostos químicos, através de reações de hidrólise e condensação de precursor alcóoxido, com alta homogeneidade e elevada pureza química. Este trabalho tem por objetivo estudar a obtenção de geopolímero a partir precursores sinetizados pelo processo sol-gel, utilizando-os como matérias-primas. Inicialmente, a sílica e a alumina foram sintetizadas separadamente e utilizadas por meio da mistura física e utilizadas como matéria-prima. Em função dos resultados, foi feita a produção conjunta dos aluminossilicatos. O tetraetilortosilicato (TEOS) foi utilizado como precursor da sílica e o isopropóxido de alumínio (IPA) e o nitrato de alumínio nonahidratado (ANN) como precursores da alumina. Os produtos sol-gel e o metacaulim comercial foram ativados com hidróxido de sódio e silicato de sódio para obtenção dos geopolímeros. As matérias-primas foram caracterizadas pelos ensaios de adsorção gasosa, granulometria, termogravimetria, difração de raios X e espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier. Os geopolímeros foram, também, caracterizados por difração de raios X, espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier e, adicionalmente, pelos ensaios de densidade e porosidade pelo método de Arquimedes e ensaio de resistência à compressão. A sílica e a alumina sintetizadas separadamente não obtiveram condições satisfatórias para serem utilizadas como matéria-prima na produção do geopolímero. Todavia, os resultados dos geopolímeros obtidos dos aluminossilicatos sol-gel confirmam a ocorrência de atividade alcalina e alcance de resistências adequadas aos 28 dias, confirmando a eficiência dos mesmos como fonte alternativa na produção de geopolímeros. Geopolymers have become the target of research, due to their properties as an alternative ligand for both civil construction and artificial zeolite. They are obtained by the alkaline activation of materials rich in aluminosilicates. Metakaolin, which is obtained from the kaolin calcination, is the most used raw material for the production of the geopolymer and may or may not has the composition and suitable structure for the geopolymerization. The literature describes that the geopolymer also can be obtained from aluminosilicates produced by sol-gel process. This process consists in the synthesis of chemical compounds, through the hydrolysis and condensation reactions of alkoxide precursors, with high homogeneity and high chemical purity. This work aims to study the fabrication of geopolymers from precursors synthesized by sol-gel process using them as raw materials. Silica and alumina were firstly synthesized separately and used as raw materials after physical mixing. According to the results, the conjunct production of aluminosilicates was performed. Tetraethylorthosilicate (TEOS) was used as the silica precursor, and alumina isopropoxide (IPA) and aluminum nitrate nonahydrate (ANN) as the alumina precursors. Sol-gel products and commercial metakaolin were activated with sodium hydroxide and sodium silicate to produce the geopolymers. Raw materials were characterized by gas adsorption, granulometry, thermogravimetry, X-ray diffraction and Fourier transform infrared spectroscopy. Geopolymers were also characterized by X-ray diffraction, Fourier transform infrared spectroscopy and, additionally, by density and porosity measurements via the Arquimedes method and compressive strength tests. Silica and alumina separately synthesized did not obtain satisfactory conditions to be used as raw material for the geopolymer production. However, the results of the geopolymers derived from the aluminosilicates sol-gel confirm the occurrence of alkaline activity and reach to adequate resistances at 28 days, confirming the efficiency of these materials as an alternative source in the production of geopolymers.

Resumen Se sintetizaron dos morteros geopoliméricos basados en Metacaolín y residuo de ladrillo, modificados con adiciones orgánicas e inorgánicas para ser utilizados como potenciales recubrimientos sobre concretos. Se evaluaron sus propiedades en estado fresco (fluidez, tiempo de fraguado) y en estado endurecido (resistencia a la compresión y tracción, absorción, porosidad y conductividad térmica). Los resultados muestran la viabilidad de producir morteros Clase R1 y R2 en concordancia con la Norma EN 1504-3 en cuanto a las propiedades mecánicas y se evidencia que los sistemas geopoliméricos producidos presentan menor conductividad térmica comparada a los morteros basados en OPC sugiriendo comportamiento tipo aislante. Abstract In the present study, two geopolimeric mortars based on Metakaolin and brick residue were synthesized; these were modified with organic and inorganic additions to be used as potential coatings on concrete. Properties in a fresh state (fluidity, setting time) and in a hardened state (compressive and traction strength, absorption, porosity and thermal conductivity) were evaluated. The results show the feasibility of producing Class R1 and R2 mortars in accordance with the EN 1504-3 Standard in terms of mechanical properties. The geopolymeric systems produced have a lower thermal conductivity compared to mortars based on OPC, which suggests its use as insulating coatings. Resumo No presente estudo, duas argamassas geopoliméricas baseadas em Metakaolin e resíduo de tijolo foram sintetizadas; estes foram modificados com adições orgânicas e inorgânicas para serem usados como revestimentos potenciais no concreto. Propriedades em estado fresco (fluidez, tempo de endurecimento) e em estado endurecido (resistência à compressão e tração, absorção, porosidade e condutividade térmica) foram avaliadas. Os resultados mostram a viabilidade de produzir argamassas da classe R1 e R2 de acordo com a norma EN 1504-3 em termos de propriedades mecânicas. Os sistemas geopoliméricos produzidos possuem menor condutividade térmica em relação às argamassas à base de OPC, o que sugere sua utilização como revestimento isolante.

Submitted by Paulo Victor Campos Guimarães (pvcg.unesp.feis@gmail.com) on 2019-06-10T19:47:15Z No. of bitstreams: 1 guimaraes_pvc_me_ilha.pdf: 6890344 bytes, checksum: e632c92312efcc3659ce6e741b7010b7 (MD5) Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2019-06-10T19:57:52Z (GMT) No. of bitstreams: 1 guimaraes_pvc_me_ilha.pdf: 6890344 bytes, checksum: e632c92312efcc3659ce6e741b7010b7 (MD5) Made available in DSpace on 2019-06-10T19:57:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 guimaraes_pvc_me_ilha.pdf: 6890344 bytes, checksum: e632c92312efcc3659ce6e741b7010b7 (MD5) Previous issue date: 2019-05-21 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) A indústria do cimento Portland é responsável direta por uma carga de poluentes de significativo dano ambiental. Os Concretos Ativados Alcalinamente (CAA) são matrizes compostas por um ativador alcalino e um aglomerante alternativo. O material comumente utilizado para a ativação alcalina é o silicato de sódio, cuja fabricação também se mostra como ambientalmente nociva. O silicato de sódio, junto ao cimento Portland, podem ser dispensados, uma vez que a produção do ativador pode se dar através de um composto rico em silício (materiais pozolânicos no geral), sendo a cinza da casca de arroz (CCA) o instrumento de estudo do trabalho apresentado, e a soda cáustica como fornecedora de sódio (meio alcalino). Os concretos CAA foram definidos conforme o parâmetro ξ (CAA-ξ), que representa a relação molar entre SiO2 e Na2O, com as variações ξ = 1,2, ξ = 1,6 e ξ = 2,0, esta última representando o concreto ativado alcalinamente com maior taxa de CCA. Este trabalho tem como intuito a avaliação das propriedades mecânicas dos concretos CAA, comparando-as, em seguida, com duas tipologias de concreto com cimento Portland CPV-ARI, com distintos fatores água cimento (0,45 e 0,55). A variação na relação a/c teve como intuito a análise de duas referências com valores diferentes de fck. Os resultados demonstram que a resistência à compressão axial e diametral (sete dias de cura) para os concretos CAA se encontraram na faixa de 25 a 30 MPa, e de 1,5 a 3,5 MPA, respectivamente. Não foram observados ganhos expressivos na transição entre as idades de 7 e 28 dias, e 28 e 90 dias. Os concretos convencionais utilizados como referência atingiram resistência à compressão axial na faixa de 30 a 40 MPa, e diametral de cerca de 5 MPa, aos sete dias, apresentando um ganho significativo aos 28 e 90 dias idade. Os módulos de elasticidade dos concretos CAA resultaram valores entre 10 e 20 GPa. Já os concretos convencionais evidenciaram valores do módulo de elasticidade superiores a 25 GPa, já em idades mais curtas. Com relação à aderência, existe um distanciamento do concreto com fator água/cimento 0,45 em relação aos ativados alcalinamente, resultado este também evidenciado nas demais propriedades estudadas. Entretanto, a descrição da curva de arrancamento é similar para os dois grandes grupos trabalhados, em especial no pareamento entre as amostras CAA-2,0 e CPV-ARI 0,55, aquela sendo a de maior eficiência dentre as tipologias alternativas. Os concretos alternativos evidenciaram ganhos baixos para a tensão de aderência média nas transições entre as idades de 7, 28 e 90 dias, de modo que houve o alcance de 12,61 MPa (5mm) e 17,29 MPa (8mm) aos 90 dias para a amostra CAA-2,0. Observaram-se ganhos mais expressivos na transição das idades para as amostras de cimento Portland, de maneira que aos 90 dias as tensões de aderência médias observadas para o CPV-ARI 0,55 foram de 10,18 MPa (5mm) e 18,16 MPa (8mm). Contudo, uma clara proximidade para com a amostra CAA-2,0 foi evidenciada. Considerando a característica de sustentabilidade inerente aos concretos CAA, tais alternativas se mostram promissoras, uma vez que dadas todas as propriedades mecânicas levantadas, os concretos ativados alcalinamente trazem um comportamento mecânico eficiente, com possível aplicação em múltiplas atividades na construção civil. The Portland cement industry is directly responsible for a load of pollutants of significant environmental damage. Alkali-Activated Concrete (AAC) is a matrix with prior activation and alternative binder. The catalyst material commonly used for prior activation is the sodium silicate, the manufacture of which is also environmentally harmful. Sodium silicate, together with Portland cement, can also be dispensed with, since the activator can be produced through a silicon-rich compound (pozzolanic materials in general), with the rice husk ash (RHA) being the instrument of study of the work presented, and caustic soda as a supplier of sodium. The AAC concretes were defined according to the parameter ξ (AAC- ξ), which represents the molar ratio of SiO2 and Na2O, with the variations ξ = 1.2, ξ = 1.6 and ξ = 2.0, the latter representing the AAC with higher RHA rate. This work intends to evaluate the mechanical properties of AAC, comparing them to two types of concrete with ordinary Portland cement with high early resistance, with different water cement factors (0.44 and 0.55). The variation in the water/binder mass ratio was intended to analyze two references with different values of compressive strength class. The results demonstrate that the axial and diametric compression strength (seven days cure) for the AAC concretes were in the range of 25 to 30 MPa, and of 1.5 to 3.5 MPA, respectively. There were no significant gains in the transition between the ages of 7 and 28 days, and 28 and 90 days. The conventional concretes used as reference reached resistance to axial compression in the range of 30 to 40 MPa, and diametric of about 5 MPa at seven days, presenting a significant gain at 28 and 90 days old. The modulus of elasticity of AAC resulted in values between 10 and 20 GPa, while the conventional concretes showed modulus of elasticity values higher than 25 GPa, at shorter ages. Regarding the adhesion, there is a distancing between the OPC concrete with a water/cement ratio of 0.45 and the alkali-activated ones. This result is also evident in the other properties studied. However, the description of the pullout curve is similar for the two main groups (alternative and reference), especially in the matching between the AAC-2.0 and OPC 0.55 samples, the first being the one with the highest efficiency among the alternative samples. The alternative concretes highlighted low gains for medium bond strength at the transitions between the ages of 7, 28 and 90 days. Hence, it was verified a range of 12.61 MPa (5mm) and 17.29 MPa (8mm) at 90 days for the AAC-2.0 type. More significant gains were observed amongst age transition for Portland cement samples, as of 90 days of test the medium bond strength observed for OPC 0.55 were 10.18 MPa (5mm) and 18.16 MPa (8mm). Yet, a clear proximity to the AAC-2.0 sample was evident. Considering the sustainability display inherent to AAC concretes, such alternatives are promising, given all the mechanical properties raised. The alkali-activated concretes bring a mechanical display of high behavior and can be applied to many construction purposes. CAPES: Código de Financiamento 001

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2019-05-30T14:06:05Z No. of bitstreams: 1 Luís Cláudio Staudt Conceição_.pdf: 5688360 bytes, checksum: 9948ff91be27756d2a33987f00c1deb6 (MD5) Made available in DSpace on 2019-05-30T14:06:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Luís Cláudio Staudt Conceição_.pdf: 5688360 bytes, checksum: 9948ff91be27756d2a33987f00c1deb6 (MD5) Previous issue date: 2019-02-28 CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior A indústria do cimento Portland é responsável por gerar cerca de 7% das emissões globais de CO2. Diversos estudos têm buscado o desenvolvimento de aglomerantes alternativos com desempenho similar ao cimento Portland, que tenham uma produção menos agressiva ao meio ambiente e que possam atender às demandas de consumo. Os cimentos geopoliméricos vêm demonstrando potencial para atender tais requisitos, sendo compostos por dois elementos principais: o material precursor e o ativador alcalino, que ao serem homogeneizados dão início ao processo de dissolução e rearranjo da SiO2 e Al2O3. O material precursor pode ser originado a partir de resíduos industriais ou pozolanas naturais, que apresentam uma composição majoritária em Al e Si em estado amorfo; entretanto, a utilização do silicato de sódio comercial para produzir o ativador alcalino aumenta consideravelmente as emissões de CO2 e a energia incorporada do material. Os materiais geopoliméricos apresentam propriedades mecânicas e de durabilidade satisfatórias, porém certas associações dos fatores constituintes podem causar instabilidade em termos de resistência ao longo do tempo ou tornar o material suscetível à eflorescência ao entrar em contato com a água. Assim, o objetivo geral deste trabalho é avaliar a influência de parâmetros físico-químicos no comportamento mecânico e de durabilidade dos geopolímeros constituídos por vidro vulcânico e silicato de sódio residual produzido a partir da cinza de casca de arroz. Foram realizados ensaios mecânicos e, com base nos resultados, foi desenvolvido um modelo matemático para descrever o comportamento mecânico da pasta de cimento variando a combinação de quatro fatores (módulo de sílica, molaridade, relação solução/aglomerante e temperatura de cura), verificando o desenvolvimento de resistência ao longo do tempo nas idades de 1, 7, 28, 63 e 91 dias. Foi verificada também elevada expansibilidade do material quando em contato com a água e ensaios complementares foram realizados para determinar a origem da deterioração das amostras: difração de raios X, fluorescência de raios X, análise petrográfica e termogravimétrica. As pastas de cimento apresentaram comportamento mecânico compatível com a ampla variedade de funções atribuídas ao cimento Portland na construção civil, com resistência máxima de 181,8 MPa. Com base na análise estatística, a combinação com Ms=2, Mol=12 mol, SAgl=0,45 e Temp=20ºC representa o melhor desempenho mecânico, considerando desenvolvimento de resistência inicial e final, com ganho de resistência contínuo ao longo do período de tempo analisado. Há indícios que a origem da limitação de durabilidade ao entrar em contato com a água esteja relacionada com a insuficiência de alumina reativa no material precursor (vidro vulcânico) que pode resultar na formação de géis instáveis. De forma geral, o material apresenta potencial mecânico para a utilização na construção civil, no entanto a sua degradação completa na presença de umidade gera a necessidade de realizar testes para verificar a sua durabilidade, além de aprofundar o conhecimento quanto a origem do mecanismo de expansão. The Portland cement industry is responsible for generating about 7% of global CO2 emissions. Several studies have sought the development of alternative binders with performance comparable to Portland cement, with a production less aggressive to the environment and that can meet the demands of consumption. Geopolymer cements have shown potential to meet these requirements, being composed of two main elements: the precursor material and the alkaline activator, which, when homogenized, initiate the process of dissolution and rearrangement of SiO2 and Al2O3. The precursor material may originate from industrial waste or natural pozzolans, which have a majority composition in Al and Si in an amorphous state; however, the use of commercial sodium silicate to produce the alkaline activator greatly increases the CO2 emissions and the incorporated energy of the material. Geopolymer materials exhibit satisfactory mechanical properties and durability, but certain associations of constituent factors may cause instability in terms of resistance over time or make the material susceptible to efflorescence upon contact with water. Thus, the main objective of this work is to evaluate the influence of physical and chemical parameters on the mechanical and durability behavior of the geopolymers constituted by volcanic glass and residual sodium silicate produced from rice hull ash. Mechanical tests were performed and, based on the results, a mathematical model was developed to describe the mechanical behavior of the cement paste by varying the combination of four factors (silica modulus, molarity, solution/binder ratio and curing temperature), development of resistance over time at the ages of 1, 7, 28, 63 and 91 days. It was also verified high expansibility of the material when in contact with water and complementary tests were carried out to determine the origin of the deterioration of the samples: X-ray diffraction, X-ray fluorescence, petrographic and thermogravimetric analysis. The cement pastes presented mechanical behavior compatible with the wide variety of functions attributed to Portland cement in civil construction, with a maximum resistance of 181,8 MPa. Based on the statistical analysis, the combination with Ms = 2, Mol = 12 mol, SAgl = 0,45 and Temp = 20ºC presented the best mechanical performance considering initial and final strength development, with continuous resistance gain over the period analyzed. There is evidence that the origin of the water-limiting durability is related to the insufficiency of reactive alumina in the precursor material (volcanic glass) that may result in the formation of unstable gels. In general, the material presents mechanical potential for use in civil construction, however its complete degradation in the presence of moisture generates the need to perform tests to verify its durability, in addition to deepening the knowledge regarding the origin of the expansion mechanism.

Os materiais ativados alcalinamente que possuem baixos teores de cálcio, comumente chamados de geopolímeros, são ligantes obtidos através da ativação alcalina de materiais ricos em aluminossilicatos, destacando-se o metacaulim, uma argila calcinada com alto teor de sílica e alumina. As propriedades do geopolímero permitem seu uso em refratários, filtros e biotecnologia. Também podem ser utilizados para fins estruturais e pavimentação. Na forma de espumas os geopolímeros podem ser aliados a construção civil, podendo ser utilizados como material de construção leves e/ou isolantes. Neste trabalho as espumas geopoliméricas foram produzidas através da introdução de um agente formador de poros ou bolhas na matriz geopolimérica. A quantidade e teor de surfactante influencia na formação, volume dos poros, na distribuição porosimétrica e na morfologia. O objetivo desse trabalho foi a produção e estudo de um geopolímero poroso. O geopolímero poroso produzido tem como precursor metacaulim, como ativador foram avaliadas as misturas de silicato de potássio com hidróxido de potássio e também a de silicato de sódio com hidróxido de sódio, ambas utilizando solução de hidróxido com molaridade de 8 e 10 mol/L, e como agente formador de poros foi utilizado o peróxido de hidrogênio em diferentes teores. A ocorrência da geopolimerização foi avaliada por difração de raios-X (DRX) e espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). A caracterização da espuma quanto a porosidade e densidade foi realizada pelo método de Arquimedes. Suas propriedades mecânicas foram avaliadas por ensaios de resistência à compressão. Observou-se, através das técnicas de DRX e FTIR, que nas pastas ativadas alcalinamente, tanto com utilização de KOH ou NaOH, ocorreu a geopolimerização. A variação da molaridade dos ativadores alterou a porosidade, densidade e resistência mecânica das pastas. O teor de peróxido de hidrogênio adicionado controla a formação dos poros através da liberação de oxigênio e, consequentemente, a densidade e resistência mecânica do material. The alkaline activated materials with low calcium contents, commonly called geopolymers, are binders obtained through the alkaline activation of materials rich in aluminosilicates, especially metakaolin, a calcined clay with a high content of silica and alumina. The geopolymer properties allow its use in refractories, filters and biotechnology. They can also be used for structural purposes and paving. Geopolymer foam can be aplied in civil construction, and can be used as lightweight building material or insulation. In this work geopolymer foams were produced by the introduction of a foaming agent or bubbles into the geopolymer matrix. The amount and content of surfactant influences the formation, pore volume, porosimetric distribution and morphology. This work aimed to produce and to study a porous geopolymer. The porous geopolymer was produced with metakaolin as the precursor. The mixtures of potassium silicate with potassium hydroxide and also of sodium silicate with sodium hydroxide were evaluated, both using 8 and 10 mol/L hydroxide solution and as foaming agent the hydrogen peroxide was used at different levels. The occurrence of the geopolymerization was evaluated by X-ray diffraction (XRD) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). The foam porosity and density characterization was performed by the Archimedes method. Its mechanical properties was evaluated by tests of compression strength. It was observed, through XRD and FTIR that the alkaline activated material went through the geopolymerization reaction with either KOH or NaOH use. The activators molarity variation interfered in porosity, density and mechanical strength of the pastes. The added hydrogen peroxide controls the formation of pores through the release of oxygen and, consequently, the density and mechanical strength of the material.

Even with the rapid development of the alkali-activated cement (AAC) technology in the past few years, some phenomena still needs to be better understood, that may alter the durability of the material. In many industrial uses and laboratory researches the formation of the salts on the surface alkali-activated type cements was observed, which was identified as efflorescence. This occurs due to the presence of an alkali transported in contact with the humidity and CO2 environment. It may present externally from the formation of salts on the surface and internally with the carbonation of the alkalis in capillary pores. The effects of efflorescence on the material in use, as well as all factors that can influence its formation are not yet fully understood or reported. The search for papers was conducted using the search words efflorescence and geopolymer/alkali-activated, combined in the electronic data base. Due to the limited quantity of papers published related to efflorescence in geopolymers, the review was complemented using papers that discuss this behavior in Portland cement (PC) and based on the main properties that can influence the formation of efflorescence. In this paper, to understand the nature of efflorescence, upon which proper methods of minimizing of this issue can be based, the following aspects are discussed and re-examined: (1) the development of efflorescence’s in PC concrete, (2) the role of alkalis in AACs, (3) efflorescence in AACs, and (4) effect from a physical and microstructural point of view of efflorescence’s on the ACCs. This paper highlights that the nature of the pore structure and the design parameters (such as alkali concentration, presence of soluble silicates, and water content in the activator) are the two most important factors that control efflorescence rate and changes inmechanical behavior. However, the stability of the alkalis and their relationship with the formed gel, which are determining factors in the formation of efflorescence, remain not completely understood. In the same way, the effect of efflorescence in tensile strength and shrinkage needs to be evaluated.

A crescente demanda por geomateriais sustentáveis aplicados à construção suscitou nos últimos anos pesquisas em busca de materiais alternativos ao betão. Concomitantemente, houve um resgate da arquitetura em terra, dentre as quais se destaca o adobe. Os adobes são blocos de terra crua feitos a partir do solo disponível no sítio da construção, podendo ser estabilizado caso seja necessário melhorar suas características como material de construção. Tradicionalmente, os adobes eram estabilizados com a adição de elementos naturais, tais como palha ou esterco. Todavia, pode-se ainda alcançar a estabilização deste solo por via química. A ativação alcalina é um método químico que vem sendo estudado para melhorar cimentos e argamassas, utilizando fontes de sílica naturais ou recicláveis, normalmente em pH básico. O presente trabalho pretende avaliar a estabilização de diferentes formulações de adobe ativadas alcalinamente com NaOH e KOH. As ativações alcalinas foram realizadas a temperatura ambiente e avaliadas ao longo do tempo de cura (28, 60 e 90 dias) quanto à resistência mecânica e ao comportamento frente à absorção de água por capilaridade. As formulações foram confecionadas com materiais característicos das construções tradicionais em adobe de Aveiro, buscando assim maior compatibilidade para um futuro uso da reabilitação de edifícios históricos. De forma geral, observou-se um aumento na resistência mecânica e um melhor comportamento ao interagirem com água por capilaridade, em comparação com os adobes. O êxito das formulações dependeu da interação das matérias primas com o tipo de ativador alcalino. Acredita-se que as formulações 1.1 e 3.2 aqui apresentadas podem servir de ponto de partida para outros ensaios pertinentes para testar as potencialidades destes materiais. Assim, futuramente estes podem ter aplicabilidade na reabilitação de edifícios antigos de adobe e ou na construção sustentável em adobe The increasing demand for sustainable geomaterials applied to construction has raised researches for alternative materials to the concrete. Moreover, there has been a revival of the use of earth and associated building techniques among which the adobe stands out. Adobes are bricks made from the soil available at the site of construction that can be stabilized to improve its characteristics. Traditionally, adobes were stabilized with natural reinforcing materials, such as straw or manure. However, stabilization can also be achieved by chemical means. Alkaline activation is a chemical method that has been studied to improve cements and mortars using natural or recyclable silica sources, usually at basic pH. The present work evaluates the stabilization of different formulations of alkaline activated adobe with NaOH and KOH. Alkaline activations were performed at room temperature and evaluated during the curing time (28, 60 and 90 days) for mechanical resistance and water absorption by capillarity. The formulations were made with materials used in traditional adobe constructions of Aveiro, thus seeking greater compatibility for a future use for historic buildings rehabilitation. In general, an increase in mechanical strength and a better behavior when interacting with water by capillarity was observed in comparison with regular adobes. The success of the formulations depended on the interaction of raw materials with the type of alkaline activator. The formulations 1.1 and 3.2 assessed in this work can be a starting point for future works in order to enable a future use in the rehabilitation of old adobe buildings and in sustainable adobe construction. Nonetheless, further tests should be performed to assure the potential of these materials Mestrado em Engenharia Geológica

RESUMO Os materiais de isolamento térmico convencionais, tais como a lã de vidro e o poliestireno extrudado, possuem importantes limitações técnicas. Os geopolímeros emergem como uma alternativa devido às suas excelentes propriedades. Neste trabalho, teve-se por objetivo descrever o desenvolvimento de geopolímeros de baixa condutividade térmica. Na produção dos geopolímeros utilizou-se metacaulim (Al2O3.2SiO2) que, devido à sua elevada reatividade, permite produzir polímeros inorgânicos, com propriedades físicas interessantes para aplicações em isolação térmica. Amostras de aluminossilicato foram ativadas com hidróxido de sódio (NaOH) e silicato de sódio (Na2SiO3). Amostras de geopolímeros leves foram produzidas com adição de diferentes percentagens de um formador de poros (0,5, 1, 2, 3, 4%). As amostras produzidas foram caracterizadas quanto à: resistência, compressão, absorção de água, condutividade térmica, densidade aparente e microestrutura. ABSTRACT Conventional thermal insulation materials, such as glass wool and extruded polystyrene, owned-in significant technical limitations. The geopolymers emerge as an alternative due to their properties. In this sense the objective of this work is to describe the develop geopolymers with low thermal conductivity. Samples of geopolymers were produced from metakaolin (Al2O3.2SiO2) which, due to its high reactivity, made it possible to produce inorganic polymers with interesting physical properties, which can be used for thermal insulation. The samples of aluminosilicate were activated with sodium hydroxide (NaOH) and sodium silicate (Na2SiO3). Samples of light geopolymers were produced with addition of different percentages of a pore former (0.5, 1, 2, 3, 4%). The samples were characterized with respect to: compressive strength, water absorption, thermal conductivity, density and microstructure.

A reparação de estruturas degradadas de concreto representa uma oportunidade para a indústria da construção mas também um desafio para a comunidade científica. O desenvolvimento de novas argamassas de reparação constitui por isso uma importante área de investigação. Os geopolímeros são ligantes inovadores alternativos ao cimento Portland pelo que as argamassas à base destes materiais, geopolíméricas, apresentam algumas potencialidades no campo da reparação das estruturas de concreto. O presente artigo apresenta resultados de uma investigação sobre o desenvolvimento de argamassas geopoliméricas à base de uma argila da Tunísia sujeita a tratamento térmico. É incluída uma análise da argila e também dos produtos de hidratação da argamassa os quais apresentam fases geopoliméricas típicas. The rehabilitation of concrete structures represents an opportunity for the construction industry as well as a challenge for the scientific community. The development of new repair mortars is thus an important research area. Gopolymers are innovative binders alternative to Portland cement being that the geopolymeric mortars present some advantages concerning the repair of concrete structures. This paper presents investigations results regarding the development of gepolymeric mortars based on a calcined Tunisian clay. A characterization of the clay is included as well as of the mortars hydration products that show typical geopolymeric phases.

Geopolymers have great potential for the development of sustainable building materials due the utilization of industrial by-products and waste materials for their production. The introduction of natural fibers to geopolymer matrices has shown interesting results for producing alternative building materials with improved mechanical properties. This research explores the use of linen (flax) fibers as reinforcement of clay brick powder based-geopolymers and fly-ash based geopolymers. Linen fibers were obtained from the Institute of Natural Fibres and Medicinal Plants while clay brick powder were obtained from construction waste in Lima (Peru) and fly ash were extracted from Skawina (Poland). The influence of the addition of linen fibers on the mechanical properties of geopolymer matrix was studied by unconfined compression tests and three-point bending tests. The results show that addition of flax fibers significantly enhanced both compressive and flexural strengths of fly ash and clay brick powder based geopolymers.

Resumo O aumento de CO2 gerado durante a fabricação e aplicação do cimento Portland tem gerado a necessidade de se estudar a utilização de um novo sistema de ligantes. Os materiais provenientes da ativação alcalina de aluminossilicatos apresentam propriedades similares àquelas observadas no cimento Portland, sendo possível utilizá-los em algumas aplicações da construção civil. Nesse trabalho, investigou-se a produção de geopolímeros fabricados com metacaulim e cerâmica vermelha. Os materiais apresentaram resistência mecânica próxima de 30 MPa após 28 dias de cura. Os resultados acerca da microestrutura dos ligantes inorgânicos constaram que a utilização da cerâmica vermelha não modificou as reações de geopolimerização. Entretanto, a presença da cerâmica vermelha modificou os valores de absorção de água, porosidade aparente e densidade. A superfície apresentou algumas partículas de cerâmica vermelha que não participaram da reação. A baixa taxa de reação da cerâmica vermelha foi relacionada com as alterações observadas no ligante álcali-ativado. Abstract The increase of CO2 released during the application and production of Portland cement has promoted the necessity to study a new kind of binder. The alkali-activated materials have similar properties of Portland cement; this way, some applications in the civil construction can be made using these materials. The aim of this work was to produce metakaolin and red ceramic based geopolymers. The specimens showed mechanical strength close to 30 MPa after 28 days of curing. The analysis of the microstructure demonstrated that the use of red ceramic did not modify the geopolymerization reactions. However, the red ceramic promoted changes in the water absorption, porosity and density values. The geopolymers surface showed some intact red ceramic particles. This was related to low reactivity of the raw material that promoted the observed modifications of the geopolymeric specimens.

Materiais alternativos, cujo processo de produção cause menor impacto ambiental em relação ao cimento tradicional, são alvo de pesquisas em todo mundo. Dentre esses materiais destacam-se os compostos álcali ativados com baixo teor de cálcio, comumente denominados de geopolímeros. Estes ligantes são obtidos pela ativação alcalina de materiais ricos em sílica e alumina, com destaque para os metacaulins e resíduos industriais. Devido às suas propriedades diferenciadas, os aluminossilicatos ativados podem ser utilizados em diversas aplicações. Muitos estudos indicam ser necessário a adição, ao metacaulim, de sílica na forma de silicatos de sódio ou potássio de modo a aumentar o teor de sílica. Considerando que os resíduos de vidro, na condição de micropartículas, constituem um passivo ambiental e são altamente reativos e ricos em sílica, considera-se viável sua utilização como fonte de sílica na obtenção de geopolímeros. Contudo, ainda existem lacunas a serem esclarecidas, tanto no que se refere à síntese como à caracterização. Nesse sentido, este trabalho avalia a eficiência da ativação alcalina, com vista à reação de geopolimerização, do metacaulim com uso de silicato de potássio, com e sem substituição parcial do precursor por 12,5% em peso de micropartículas de vidro soda-cal de cor âmbar. Foram avaliados os precursores e os materiais ativados quanto à composição química, superfície específica, pozolanicidade, arranjo atômico e coordenação do 27Al e 29Si. Os materiais sintetizados também foram avaliados quanto a massa específica e resistência à compressão. Os resultados indicam que é possível a geopolimerização com uso de micropartículas de vidro soda cal âmbar em substituição a 12,5% em peso de metacaulim. Essa substituição também favorece o desempenho mecânico dos compostos aos 28 dias, com um aumento de 37% para cura em estufa e 44% na cura em temperatura ambiente Alternative materials, whose production process causes less environmental impact compared to traditional concrete, are the target of research throughout the world. Among these materials include alkali activated compounds with low calcium content, commonly called geopolymers. These binders are obtained by the alkaline activation of materials rich in silica and alumina, with emphasis on the metakaolin and industrial waste. Due to their differentiated properties, aluminosilicates, activated can be used in several applications. Many studies indicate be necessary in addition to metakaolin, silica in the form of sodium or potassium silicates in order to increase the silica content. Whereas the glass waste, on condition of microparticles constitute an environmental liability and are highly reactive and high in silica, your use shall be deemed viable as a source of silica in geopolymers. However, there are still gaps to be clarified, both as regards how to synthesis and characterization. In this sense, this paper evaluates the efficiency of alkaline activation with a focus on the geopolymerization reaction, of metakaolin using potassium silicate, with and without partial replacement of precursor by 12.5% by weight from soda lime microparticles glass amber coloured. The precursors and activated materials were evaluated as to the chemical composition, specific surface, pozolanicity, atomic arrangement and 27Al and 29Si coordinations. The synthesized materials were also evaluated for specific mass and compressive strength. The results indicate that geopolymerization with the use of glass amber soda lime microparticles in place of 12.5% by weight metakaolin is possible. This substitution also favors the mechanical performance of the compounds at 28 days, with an increase of 37% to cure at 40º C and 44% in curing at ambient temperature

Trabajo de investigación Con el objetivo de estudiar la factibilidad del uso de la puzolana natural existente en la Región Andina de Colombia, el presente documento consiste en la evaluación de un concreto a base de cenizas de carbón, que determina la composición química y estima las propiedades físicas como la resistencia mecánica, la trabajabilidad y moldeabilidad del material, así como también plantea un análisis comparativo entre el espécimen y el concreto convencional. Pregrado Ingeniero Civil INTRODUCCIÓN 1. GENERALIDADES 2. ANTECEDENTES 3. MARCO DE REFERENCIA 4. METODOLOGIA 5. RESULTADOS 6. ANALISIS DE RESULTADOS 7. CONCLUSIONES 8. RECOMENDACIONES 9. TRABAJOS FUTUROS BIBLIOGRAFÍA

1 recurso en línea (2 archivos de texto) : ilustraciones color, tablas, gráficos., This report shows the results of the research focused on the development of a procedure for the elaboration of optimized geopolymers; pretending to provide from this, a tool for future research in the field of alkaline activated cements; The tool by which the previous section is achieved consists of a procedure that allows geopolymers to be elaborated based on flying ash from the thermoelectric "TermoPaipa" inferred from a general evaluation of the behavior of this particular ash and the components of said geopolymer. to modify factors such as: forms, times and mixing equipment, as well as curing procedures, among others. In addition, research is relevant to the struggle proposed by all nations in the face of the problem of global warming, caused by the pollution of the environment. In the country, it is necessary to carry out research that provides tools to be at the forefront of the aforementioned issues. To achieve the purpose of the research, a laboratory methodology was chosen, in which an evaluation of the different procedures was carried out, in the different stages that can be followed to achieve a geopolymer, using previous research, the literature found, technical advice from the co-director and mixtures made in the laboratory. Based on the qualitative results obtained from the different procedures evaluated, the experimental results and the quantitative results obtained from the tests carried out on the processed specimens, it was possible to determine an optimal procedure for the preparation of geopolymers based on fly ash originating from the thermoelectric ThermoPaipa , which has unfavorable characteristics in geopolymerization processes such as the high contents of unburned organic material and very large particle sizes in relation to ashes cataloged as optimal for the preparation of geopolymers. Within the research, mixtures were made with the addition of industrial hemp fibers and with the implementation of a thermal treatment carried out on the fly ash; in order to optimize the mechanical properties of geopolymers, both compression and tension. The research produced results that were first synthesized in a procedure for obtaining geopolymers, which was optimized by modifications in times, use of superplasticizer, use of equipment and curing process; In addition, they were inferred as the main factors that affect the mechanical properties of geopolymers, the curing process and the process used to make the alkaline solution. Finally, an optimization of 54% was obtained in terms of the resistance to compression from a thermal treatment performed on the ash and up to 28% from the addition of industrial hemp fibers; In addition, the tensile strength was improved by 71% with the addition of said fiber. Through socialized research it was inferred that the ash produced by the thermoelectric "TermoPaipa" has a better behavior with the application of treatments that improve their physical properties, additionally it was determined that the use of hemp fiber contributes positively in the properties Mechanics of the geopolymers and finally it is necessary to clarify that each of the procedures evaluated and selected in this report had an impact on the feasibility of the geopolimeros elaboration., El presente informe muestra los resultados de la investigación enfocada al desarrollo de un procedimiento para la elaboración de geopolimeros optimizados; pretendiendo brindar a partir de esta, una herramienta para futuras investigaciones en el campo de los cementos activados alcalinamente; la herramienta mediante la cual se logra el apartado anterior, consta de un procedimiento que permita elaborar geopolimeros a base de ceniza volante de la termoeléctrica “TermoPaipa” inferido a partir de una evaluación general del comportamiento de esta ceniza en particular y los componentes de dicho geopolímero luego de modificar factores como: las formas, tiempos y equipos de mezclado asimismo procedimientos de curado, entre otros. Además, es pertinente la investigación con la lucha propuesta por todas las naciones ante la problemática del calentamiento global, producido por la contaminación del medio ambiente. En el país se hace necesario realizar investigaciones que brinden herramientas para conseguir estar a la vanguardia en los temas mencionados. Para lograr el propósito de la investigación se optó por una metodología de laboratorio en la cual se realizó en primera instancia una valoración de los diferentes procedimientos, en las distintas etapas que se pueden seguir para la consecución de un geopolímero, recurriendo a investigaciones previas, a la literatura encontrada, a asesorías técnicas por parte de la codirectora y a las mezclas realizadas en laboratorio. En función de los resultados cualitativos obtenidos de los diferentes procedimientos evaluados, los resultados experimentales y los resultados cuantitativos obtenidos de los ensayos realizados a las probetas elaboradas, fue posible determinar un procedimiento óptimo para la elaboración de geopolimeros basados en ceniza volante originaria de la termoeléctrica TermoPaipa, la cual tiene características poco favorables en los procesos de geopolimerización como lo son los altos contenidos de material orgánico no incinerado y tamaños de partículas muy grandes en relación a cenizas catalogadas como óptimas para la elaboración de geopolimeros. Dentro de la investigación se realizaron mezclas con la adición de fibras de cáñamo industriales y con la implementación de un tratamiento térmico realizado a la ceniza volante; con el fin de optimizar las propiedades mecánicas de los geopolimeros tanto a compresión como a tensión. La investigación arrojo resultados que se sintetizaron en primer lugar en un procedimiento para la obtención de geopolimeros, el cual fue optimizado mediante modificaciones en tiempos, uso de superplastificante, uso de equipos y proceso de curado; además se infirieron como principales factores que afectan las propiedades mecánicas de los geopolimeros, el proceso de curado y el proceso usado para la elaboración de la solución alcalina. Finalmente se obtuvo una optimización de un 54% en cuanto a la resistencia a la compresión a partir de un tratamiento térmico realizado a la ceniza y de hasta un 28% a partir de la adición de fibras de cáñamo industrial; además, la resistencia a la tensión fue mejorada en un 71% con la adición de dicha fibra. Mediante la investigación socializada se infirió que a la ceniza producida por la termoeléctrica “TermoPaipa” tiene un mejor comportamiento con la aplicación de tratamientos que permitan mejorar sus propiedades físicas, adicionalmente se determinó que el uso de fibra de cáñamo aporta de forma positiva en las propiedades mecánicas de los geopolimeros y finalmente es necesario aclarar que cada uno de los procedimientos evaluados y seleccionados en el presente informe tuvo incidencia en la factibilidad de la elaboración de los geopolimeros., Bibliografía y webgrafía: páginas 65-67., Pregrado, Ingeniero Civil

Trabajo presentado al V Congreso Iberoamericano de Hormigón Autocompactable y Hormigones Especiales (HAC), celebrado en Valencia (España) del 5 al 6 de marzo de 2018., El objetivo de este trabajo es profundizar en el conocimiento del comportamiento reologico de morteros de cementos activados alcalinamente (Alkali-Activated Materials, AAMs), determinando el efecto del diámetro máximo del árido y su naturaleza (silíceo, calizo y árido reciclado). Morteros de OPC se utilizan de referencia. Se realizaron ensayos de fluidez y de Stress Growth Test; también se determinaron los parámetros reológicos por el ensayo de curva de flujo. Los morteros de AAMs son más sensible que los de OPC a la variación del diámetro máximo de los áridos; aunque no se han observado diferentes comportamientos asociados a la naturaleza del mismo. Se ha demostrado que todos los morteros se ajustan al modelo reológico de Bingham, independientemente del diámetro máximo de los áridos y de la naturaleza de los mismos., Este estudio fue financiado por el Ministerio de Economía (MINECO) bajo el Proyecto del plan Nacional BIA2013-47876-C2-1-P. Los autores desean agradecer a A. Gil, F. Morales y P. Rivilla por su ayuda con realización de las pruebas.

Strength and durability characteristics of geopolymers produced using three precursors, consisting of fly ash, Ground Glass Fiber (GGF), and glass-powder were studied. Combinations of sodium hydroxide and sodium silicate were used as the activator solutions, and the effect of different sodium and silica content of the activators on the workability and compressive strength of geopolymers was investigated. The parameters used in this study were the mass ratio of Na2O-to-binder (for sodium content), and SiO2-to-Na2O of the activator (for silica content). Geopolymer mixtures that achieved the highest compressive strength from each precursor were assessed for their resistance to alkali-silica reaction and compared against the performance of portland cement mixtures. Test results revealed that GGF and fly ash-based geopolymers performed better than glass-powder-based geopolymer mixtures. The resistance of GGF-based and fly ash-based geopolymers to alkali-silica reaction was superior to that of portland cement mixtures, while glass-powder-based geopolymer showed inferior performance., Se estudiaron las características de resistencia y durabilidad de geopolímeros producidos utilizando tres precursores, formados por cenizas volantes, Fibra de Vidrio Esmerilado (FVE) y vidrio en polvo. Se utilizaron combinaciones de soluciones de hidróxido de sodio y silicato de sodio como activadores, y se investigó el efecto del diferente contenido de sodio y sílice de los activadores en la trabajabilidad y resistencia a la compresión de los geopolímeros. Los parámetros utilizados en este estudio fueron la relación de masa de Na2O-a-aglutinante (para el contenido de sodio), y SiO2-a-Na2 O del activador (para el contenido de sílice). Las mezclas de geopolímeros obtenidas a partir de cada precursor que alcanzaron la más alta resistencia a la compresión fueron evaluadas por su resistencia a la reacción álcali-sílice y comparadas con el rendimiento de las mezclas de cemento portland. Los resultados de las pruebas revelaron que la FVE y los geopolímeros a base de ceniza volante se comportaron mejor que las mezclas de geopolímeros a base de vidrio en polvo. La resistencia de los geopolímeros a base de ceniza volante y FVE a la reacción álcali-sílice fue superior que la de las mezclas de cemento portland, mientras que los geopolímeros a base de vidrio en polvo mostraron un rendimiento inferior.

Formulations of thermochemically bonded ceramics based of silicoaluminate raw materials were characterized. The mixtures were prepared using low water:solid and these were pressed under up to 30MPa. The specimens were cured for 2 hours at 200°C and were further characterized. The flexural strength registered 6.9-15.7 MPa, which was higher than common cements conventionally processed. The microstructures were dense, suggesting a favorable response of the mixtures to the activation process. The flexural strength varied with the type and amount of mixed raw materials. X-ray diffraction indicated that the crystalline phases from the raw materials did not react; the formation of zeolites was not observed. The proposed processing is promising in order to obtain high strength in short curing times. Keywords: geopolymers; ceramics chemically bound; activated clays; precast products. Potencial del metodo de sintesis de materiales ceramico-cementicios procesados por vias alternativas RESUMEN Se estudiaron formulaciones de materiales ceramicos ligados termoquimicamente empleando materias primas silicoaluminosas. Se prepararon mezclas con baja relacion agua:solidos y se procesaron mediante prensado hasta de 30 MPa. Las probetas se curaron a temperaturas de 200°C por 2 horas. Se evaluo la resistencia a la flexion despues del tratamiento termico; los valores registrados alcanzaron entre 6.9 y 15.7MPa, lo cual es superior a los cementos procesados por rutas convencionales. Las microestructuras obtenidas indicaron la formacion de matrices densas, sugiriendo una respuesta favorable de las materias primas al proceso de activacion. Las propiedades mecanicas variaron con la cantidad y tipo de materiales mezclados. La difraccion de rayos X indico que no hubo formacion de fases zeoliticas y las fases cristalinas no reaccionaron durante el proceso de curado. El procesamiento propuesto es prometedor para obtener altas propiedades mecanicas en tiempos de curado cortos. Palabras clave: geopolimeros; ceramicos quimicamente ligados; arcillas activadas; prefabricados. Potencial do metodo de sinteses de materiais cerâmico-cementicios processados por vias alternativas RESUM O Estudaram-se o comportamento mecânico de cerâmicos-cimeticio silicoaluminosos, ligados termo quimicamente. Empregou-se tracos com baixa relacao agua/solidos que foram prensados com ate 30MPa, para obtencao dos corpos de prova. As amostras foram curadas a temperaturas de 200°C por 2h. Avaliou-se a resistencia a flexao depois do tratamento termico; os valores registrados alcancaram entre 6,8MPa e 15,7MPa, o qual e superior ao normalmente obtido com esses cimentos a temperatura ambiente. As microestruturas observadas indicaram a formacao de matrizes densas, sugerindo uma resposta favoravel das materias primas ao processo de ativacao. As propriedades mecânicas variaram com a quantidade e tipo de materiais utilizados. A difracao de raios X indicou que nao houve formacao de fases zeoliticas e as fases cristalinas nao reagiram durante o processo de cura. O processamento proposto e promissor para obter altas propriedades mecânicas em curtos periodos de cura. Palavras-chave: geopolimeros; cerâmicos termoquimicamente ligados; arcillas activadas; produtos prensados

RESUMEN Esta investigacion presenta resultados de resistencia a la compresion y evolucion microestructural de geopolimeros expuestos a alta temperatura. Se elaboraron pastas, con mezclas de metacaolin y soluciones de silicato de sodio e NaOH. Se investigo el efecto de la composicion quimica sobre el desarrollo de resistencia a la compresion; pastas con alta resistencia fueron expuestas a 200, 500 y 800°C, caracterizando su evolucion microestructural y resistencia a compresion. Previo a la exposicion a alta temperatura, los geopolimeros desarrollaron ~ 80MPa, y posterior a su exposicion, la perdida de resistencia dependio fuertemente de la relacion SiO 2 /Al 2 O 3 . Resultados de DRX, FT-IR y MEB sugieren que la reorganizacion del gel de silice y evaporacion de agua, reducen la estabilidad mecanica de los geopolimeros expuestos a alta temperatura. Palabras clave: Geopolimeros; metacaolin; resistencia termica; resistencia a compresion; microestructuras. ABSTRACT This research presents results of compressive strength and microstructural evolution of geopolymers exposed to high temperatures. Pastes of molar were elaborated blending metakaolin and sodium silicate solutions containing NaOH. The effect of the composition on the development of compressive strength was investigated and pastes were chosen to be exposed to 200, 500 and 800 °C, characterizing their microstructure and compressive strength. Before to high temperature exposure, the binders developed ~80MPa, and after their exposition, the loss of strength depended of the ratio SiO 2 /Al 2 O 3 . Results of XRD, FT-IR and SEM suggest that the reorganization of the silica gel and the water evaporation reduce the thermal stability of samples exposed to high temperature. Keywords: Geopolymers; metakaolin; thermal performance; compressive strength; microstructures. RESUMO Esta pesquisa apresenta resultados de resistencia a compressao e evolucao da microestrutura de pastas geopolimericas expostas a altas temperaturas. Foram preparadas pastas, a partir de misturas de metacaulim com solucoes de silicato de sodio e NaOH. Foi entao pesquisado o efeito da composicao quimica sobre o desenvolvimento de resistencia a compressao e selecionadas pastas foram expostas a 200 o C, 500 o C e 800°C, caracterizando a evolucao da microestrutura e a resistencia a compressao. Antes da exposicao a alta temperatura, os geopolimeros alcancaram 80MPa, e pos-exposicao, a perda de resistencia dependeu da relacao SiO 2 /Al 2 O 3 . Os resultados de DRX, FT-IR e MEB sugerem que a reorganizacao do gel de silica e a evaporacao de agua reduzem a estabilidade mecânica do geopolimero expostos a alta temperatura. Palavras-chave: geopolimeros; metacaulim; resistencia ao calor; resistencia a compressao; microestruturas.

ResumenLos geopolímeros se obtienen a partir de la activación alcalina de minerales naturales, desechos o subproductos industriales para generar un producto con características cerámicas que presentan ventajas a nivel ambiental y con propiedades similares y en algunos casos superiores frente a materiales tradicionales. El presente estudio evalúa el efecto de la exposición a 600° y 1200°C de sistemas geopoliméricos basados en metacaolín (MK) con la utilización de activadores basados en KOH. Se evaluó la utilización de una ceniza de cascarilla de arroz (RHA) y un humo de sílice comercial (SF) como fuentes alternativas de sílice para la preparación del activador alcalino. La exposición a las temperaturas elevadas conduce a la deshidratación de los productos formados durante la activación del MK y cambios estructurales asociados a la transformación del gel geopolimérico a estructuras cristalinas tipo leucita (KAlSi2O6) y kalsilita (KAlSiO4), lo cual promueve la densificación y reducción de la porosidad del material. La presencia de partículas de MK sin reaccionar en los materiales geopoliméricos condujo a la formación de mullita (2Al2O3 · SiO2), después del tratamiento a 1200°C.AbstractCeramic materials more environment friendly and with similar or even better performance than traditional ones can be produced by alkali activation of natural minerals, wastes or industrial by-products. The present study assesses the effect of exposure at 600° and 1200°C of a MK-based geopolymers. Rice husk ash (RHA) and silica fume were modified chemically in order to obtain an alternative alkali activator. Exposure to elevated temperatures leads to dehydration of the reaction products and structural reorganization associated with the crystallization of the gel to leucite (KAl-Si2O6) and kalsilite (KAlSiO4). The structural changes associated with the thermal treatment also promote a densification and reduction of porosity. The unreacted MK particles embedded into the geopolymeric gel lead to the formation of mullite (2Al2O3 · SiO2) after the thermal treatment at 1200°C.

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Strength and durability characteristics of geopolymers produced using three precursors, consisting of fly ash, Ground Glass Fiber (GGF), and glass-powder were studied. Combinations of sodium hydroxide and sodium silicate were used as the activator solutions, and the effect of different sodium and silica content of the activators on the workability and compressive strength of geopolymers was investigated. The parameters used in this study were the mass ratio of Na2O-to-binder (for sodium content), and SiO2-to-Na2O of the activator (for silica content). Geopolymer mixtures that achieved the highest compressive strength from each precursor were assessed for their resistance to alkali-silica reaction and compared against the performance of portland cement mixtures. Test results revealed that GGF and fly ash-based geopolymers performed better than glass-powder-based geopolymer mixtures. The resistance of GGF-based and fly ash-based geopolymers to alkali-silica reaction was superior to that of portland cement mixtures, while glass-powder-based geopolymer showed inferior performance. Se estudiaron las características de resistencia y durabilidad de geopolímeros producidos utilizando tres precursores, formados por cenizas volantes, Fibra de Vidrio Esmerilado (FVE) y vidrio en polvo. Se utilizaron combinaciones de soluciones de hidróxido de sodio y silicato de sodio como activadores, y se investigó el efecto del diferente contenido de sodio y sílice de los activadores en la trabajabilidad y resistencia a la compresión de los geopolímeros. Los parámetros utilizados en este estudio fueron la relación de masa de Na2O-a-aglutinante (para el contenido de sodio), y SiO2-a-Na2 O del activador (para el contenido de sílice). Las mezclas de geopolímeros obtenidas a partir de cada precursor que alcanzaron la más alta resistencia a la compresión fueron evaluadas por su resistencia a la reacción álcali-sílice y comparadas con el rendimiento de las mezclas de cemento portland. Los resultados de las pruebas revelaron que la FVE y los geopolímeros a base de ceniza volante se comportaron mejor que las mezclas de geopolímeros a base de vidrio en polvo. La resistencia de los geopolímeros a base de ceniza volante y FVE a la reacción álcali-sílice fue superior que la de las mezclas de cemento portland, mientras que los geopolímeros a base de vidrio en polvo mostraron un rendimiento inferior.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Civil apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia The geopolymers obtained from alkaline activated binders are seen like an alternative to the more traditional attained from the Portland cement. However, there is still questions that need answering.The following dissertation propose to study the influence of the curing temperature in the mechanical properties of metakaolin based geopolymers. In order to do so, there were made two sets of cubes cured in different ways. The first set was cured in ambient conditions, as the second was cured in conditions similar to un adiabatic system. When the cure was finalised, the samples were tested and their compressive strength determined and compared. There were tested various formulations of mixtures, in which the aggregates, the composition of the activator and the amount of binder were varied. The temporal evolution of the Young’s module was also studied.There was found that the mechanical resistance of geopolymers cured in adiabatic conditions can be 23% lower when compared with the cubes cured in ambient conditions. Os materiais geopoliméricos obtidos a partir de ligantes ativados alcalinamente são vistos com uma alternativa aos mais tradicionais materiais construídos recorrendo ao cimento Portland normal. No entanto, existem questões que urge responder. A presente dissertação propõe-se estudar a influência da temperatura de cura nas propriedades mecânicas dos geopolímeros à base de metacaulino. Para esse efeito, foram construídos dois conjuntos de provetes curados de maneiras distintas. O primeiro conjunto foi curado em condições ambientais, enquanto que o segundo foi submetido a condições adiabáticas semelhantes às de um maciço infinito. Terminada a cura, os provetes foram ensaiados de modo a avaliar a sua tensão resistente à compressão, sendo os resultados dos dois conjuntos comparados posteriormente. Foram experimentadas diversas formulações de misturas, em que foram alterados os agregados, a composição do ativador e a quantidade de ligante, metacaulino neste caso. Ainda foi estudada a evolução temporal do módulo de elasticidade dos geopolímeros.Terminado o trabalho, foi possível concluir que a resistência mecânica de um geopolímero pode ser reduzida em 23% quando maturado em condições adiabáticas.

El cemento Portland es considerado el material de construcción por excelencia ya que, a día de hoy, no hay ningún conglomerante que posea la aceptación que posee este material. Esto es debido, principalmente, a sus buenas prestaciones, a su buena relación calidad/precio y a que las materias primas a partir de las cuales se fabrica pueden encontrarse prácticamente en todo el mundo. Sin embargo, el desarrollo de cementos alternativos al cemento Portland que se obtengan a través de procesos que supongan menores emisiones de gases contaminantes a la atmósfera y con un apreciado ahorro energético, constituye una línea de investigación prioritaria y de gran interés a escala mundial. Dentro de estos materiales alternativos se encuentran aquellos que proceden de la activación alcalina de aluminosilicatos naturales (arcillas) y/o subproductos industriales, como son las escorias de alto horno o las cenizas volantes. Estos cementos y hormigones activados alcalinamente se caracterizan por presentar bajos calores de hidratación, elevadas prestaciones mecánicas y buena durabilidad frente a diferentes agresivos químicos y físicos, además de no requerir en su elaboración los elevados consumos energéticos que son inherentes al proceso de fabricación de los cementos Portland. Sin embargo, aún no se puede decir o establecer que los cementos alcalinos se basan en una química limpia con el medioambiente, ya que los procesos de producción de las disoluciones alcalinas tales como los silicatos sódicos, emiten grandes cantidades de CO2 a la atmósfera además de ser un proceso costoso. El objetivo de éste trabajo es realizar un viaje en el tiempo hacia los orígenes de la activación alcalina para tratar de explicar mejor sus conceptos y características más importantes.

El cemento Portland es considerado el material de construcción por excelencia ya que, a día de hoy, no hay ningún conglomerante que posea la aceptación que posee este material. Esto es debido, principalmente, a sus buenas prestaciones, a su buena relación calidad/precio y a que las materias primas a partir de las cuales se fabrica pueden encontrarse prácticamente en todo el mundo. Sin embargo, el desarrollo de cementos alternativos al cemento Portland que se obtengan a través de procesos que supongan menores emisiones de gases contaminantes a la atmósfera y con un apreciado ahorro energético, constituye una línea de investigación prioritaria y de gran interés a escala mundial. Dentro de estos materiales alternativos se encuentran aquellos que proceden de la activación alcalina de aluminosilicatos naturales (arcillas) y/o subproductos industriales, como son las escorias de alto horno o las cenizas volantes. Estos cementos y hormigones activados alcalinamente se caracterizan por presentar bajos calores de hidratación, elevadas prestaciones mecánicas y buena durabilidad frente a diferentes agresivos químicos y físicos, además de no requerir en su elaboración los elevados consumos energéticos que son inherentes al proceso de fabricación de los cementos Portland. Sin embargo, aún no se puede decir o establecer que los cementos alcalinos se basan en una química limpia con el medioambiente, ya que los procesos de producción de las disoluciones alcalinas tales como los silicatos sódicos, emiten grandes cantidades de CO2 a la atmósfera además de ser un proceso costoso. El objetivo de éste trabajo es realizar un viaje en el tiempo hacia los orígenes de la activación alcalina para tratar de explicar mejor sus conceptos y características más importantes. Portland cement is considered an excellence building material. This is due mainly to its high performance, its good quality/price ratio and the raw materials from which it is made can be found almost everywhere in the world. However, the development of alternative Portland cements obtained through processes involves lower emission of CO2 into the atmosphere is a priority research and great interest worldwide. Alkaline activation constitutes an alternative to Portland cement, preferably amorphous or vitreous aluminosilicates and alkaline activator (such as NaOH, Na2CO3 or sodium silicates hydrates). The aluminosilicates may be natural products such as metakaolin or industrial by-products such as blast furnace slag or aluminosiliceous fly ash. These cements and concretes obtained by alkali-activating aluminosilicates are characterised by high mechanical strength, low heat of hydration and high impermeability, as well as resistance to high and low temperatures and sulphate, seawater and acid attacks. Moreover, the preparation of these alkaline cements requires lower energy than in the manufacturing process of Portland cement. However, we still cannot say or establish that alkaline cements (alkali activated materials or geopolymers) are based on a clean chemical to the environment, due to production processes of alkaline solutions such as sodium silicates emit large amounts of CO2 into the atmosphere. This article aims to make a trip back in time to the origins of the alkali activation to explain the most characteristic and important chemical concepts.

Resumo Geopolímeros são uma nova classe de ligantes inorgânicos que possuem alta resistência mecânica, inércia química e podem ser fabricados a partir de uma série de subprodutos da indústria. Nesse trabalho amostras de geopolímeros foram produzidas pela ativação da cinza volante proveniente do complexo termelétrico de Jorge Lacerda, SC. Diferentes ativadores alcalinos foram utilizados para a obtenção dos materiais com o intuito de se observar como a modificação da composição química das soluções influencia as propriedades finais dos geopolímeros. Os resultados obtidos demonstraram que os materiais possuem alta resistência à compressão nas primeiras horas de cura (28 MPa) e que aumenta para valores próximos de 48 MPa após 28 dias. Por meio da difração de raios X observou-se que tanto as cinzas originais quanto as amostras ativadas apresentaram fases minerais comumente encontradas nesse tipo de material. A espectroscopia no infravermelho demonstrou que em todas as amostras, independente da composição química da solução alcalina, modificações nas bandas originais encontradas na cinza volante foram observadas. Tais modificações estão diretamente envolvidas com o processo de geopolimerização. As propriedades físicas das amostras, tais como absorção de água, porosidade e permeabilidade, também tiveram modificações quando diferentes composições químicas foram utilizadas para se ativar as cinzas volantes. Abstract Geopolymers are a new class of binder with high mechanical strength, chemical inertia and can be made of by-products. In this work fly ash from a Brazilian power station was used to produce the geopolymer cement. To produce the geopolymers, different activator solutions were used in order to study the influence of the chemical composition of these solutions on the production of the fly ash-based geopolymers. The results showed that the Brazilian fly ash has the potential to be used in the geopolymerization process. The specimens presented high compression strength, 28 MPa after 24 h and 48 MPa after 28 days of cure. The X-ray diffraction of the original fly ash and the geopolymers samples exhibited some mineral phases presents in the fly ash and new zeolitic phases formed after the geopolymerization process. The infrared spectroscopic of all samples showed some modifications of absorption bands besides new bands corresponding to the geopolymerization process. The physical properties, such as the water absorption, porosity and permeability, changed when the activator solution changed and the curing time was modified.