FORMULATION AND DURABILITY FOR SLAG BASED PURE GEOPOLYMER COMPOSITE REINFORCED WITH FIBERS

Abstract

Geopolymers appear as an alternative material with lower carbon dioxide emission compared to Portland cement. They are inorganic polymers that are based on silica and aluminum source materials and are activated by basic alkaline solutions, such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium silicate, potassium silicate, amongst others, or as a combination of different types of activator solutions. This work aims to study the synthesis of activated alkaline materials and the characterization of the physical, mechanical, chemical, and microstructural properties of geopolymers composites. The research is part of a project for making the floor grids of platforms in geopolymeric material. The objective of this research was to develop a geopolymer resistant to hygrothermal conditions. The choice of material used was a result of the analysis of the initial properties of the mixtures tested. The material that met the initial hardening conditions of the matrix was ground blast furnace slag. The influence of different types and contents of alkaline activator and solid-to-liquid ratio on fresh and hardened properties were evaluated. The mixture that presented the best result in this stage was ground blast furnace slag with sodium silicate as an alkaline activator in a solid to liquid ratio of 2.0. The balance between good viscosity and good mechanical properties was sought in the first phase of the project. Curing conditions were tested by thermal curing on cycles of 20°C, 40°C, 60°C and 80°C. The geopolymerization reaction and physicalmechanical properties were analyzed to choose the curing conditions with the best results for the mixture. For the following steps, a 40°C thermal cure was used. Then, the frictional force resulting from carbon and glass fiber on the matrix was analyzed, to achieve the ideal embedded length. After the analyzes with the pull-out test, it was concluded that the 20 mm long carbon fiber had the best fiber-matrix adhesion. With these results, specimens of geopolymeric matrix reinforced with glass fiber were developed. Specimens were tested with 0.25%, 0.50%, 0.75% and 1.00% replacement of blast furnace slag by 20 mm glass fibers, randomly ordered. Specimens with 0.75% showed good mechanical properties with less retraction. With the variables for the composite defined, specimens were exposed to hygrothermal conditions for the analysis of mechanical properties. It is concluded that the mixture developed met the requirements given as variables at the planning of the study. The aim of this research is to make structural use of ground blast furnace slag based geopolymer use feasible, increasing durability and performance, and reducing the impact on the environment.

Geopolímeros surgem como uma alternativa de material com menor emissão de gás carbônico do que o cimento Portland. São polímeros inorgânicos que tem como base materiais fonte de sílica e alumínio e são ativados por soluções alcalinas básicas, como hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, silicato de sódio, silicato de potássio, entre outros, ou como combinação de diferentes tipos de soluções ativadoras. Este trabalho tem como objetivo estudar a síntese de materiais alcalinos ativados e a caracterização das propriedades físicas, mecânicas, químicas e microestruturais de compósitos matriciais à base de geopolímeros. A pesquisa faz parte de um projeto para confecção das grades de piso de plataformas em material geopolimérico. O objetivo desta pesquisa foi desenvolver um geopolímero resistente às condições higrotérmicas. A escolha do material utilizado foi resultado da análise das propriedades iniciais das misturas testadas. O material que atendeu as condições iniciais de endurecimento da matriz foi a escória de alto forno. A influência de diferentes tipos e teores de ativador alcalino e razão sólido / líquido nas propriedades frescas e endurecidas foram avaliadas. A mistura que apresentou melhor resultado nesta etapa foi a escória de alto forno com sódio silicato como ativador alcalino na razão de sólido para líquido de 2,0. O equilíbrio entre boa viscosidade e boas propriedades mecânicas foi buscado na primeira fase do projeto. As propriedades de cura foram testadas através de ciclos térmicos para 20°C, 40°C, 60°C e 80°C. A reação de geopolimerização e propriedades físico-mecânicas foram analisadas para escolha das condições de cura com resultados satisfatórios para a mistura. Para as etapas seguintes, foi utilizada a cura térmica de 40°C. Em seguida, a força de atrito resultante da matriz com fibra de carbono e de vidro foi analisada, com objetivo de alcançar o comprimento de embebimento ideal. Após as análises com o ensaio de pull-out, chegou-se à conclusão de que a fibra de carbono com 20 mm de comprimento teve a melhor aderência fibramatriz. Com esses resultados, foram feitos corpos de prova de matriz geopolimérica reforçados com fibra de vidro em diferentes porcentagens. Foram testados corpos de prova com 0,25%, 0,50%, 0,75% e 1,00% de substituição de escória de alto forno por fibras de vidro com 20 mm, ordenadas aleatoriamente. Corpos de prova com 0,75% apresentaram boas propriedades mecânicas com menor retração. Com as variáveis para o compósito definida, corpos de prova foram expostos a condições higrotérmicas para análise das propriedades mecânicas. Conclui-se que, a mistura desenvolvida atendeu aos requisitos dados como variáveis no início do estudo. Pretende-se com esta pesquisa viabilizar o uso do material geopolimérico a base de escória de alto forno de forma estrutural, aumentando a durabilidade e o desempenho, e diminuindo o impacto ao meio ambiente.