A incorporação de materiais pozolânicos ao cimento portland vem assumindo importância crescente na atualidade, permitindo uma redução no seu consumo energético de fabricação e a obtenção de produtos com características tecnológicas diferenciadas, superiores em alguns aspectos aos próprios cimentos não aditivados. A distribuição restrita das cinzas volantes e das pozolanas naturais, aliada à vasta ocorrência de jazimentos argilosos, faz da ativação térmica de argilas uma das opções mais interessantes para a obtenção de pozolanas em nosso país. O presente estudo procura sintetizar parte dos conhecimentos desenvolvidos no campo das pozolanas de argilas calcinadas, bem como contribuir para um melhor conhecimento dos mecanismos de ativação e reação desses materiais. Para este propósito, realizaram-se estudos experimentais visando acompanhar as modificações mineralógicas que ocorrem em diferentes argilominerais, quando submetidos a aquecimento controlado, com posterior caracterização dos materiais calcinados quanto à atividade pozolânica. Atenção especial é dedicada ao reconhecimento e à análise das fases geradas a partir da reação pozolânica envolvendo argilas calcinadas e hidróxido de cálcio e, adicionalmente, ao estudo dos fatores que controlam a qualidade e reatividade dessas pozolanas. A ativação térmica promove a perda da água de cristalização dos argilominerais e a formação de um material atomicamente desarranjado, com alto grau de desordem cristalina. O desenvolvimento das propriedades pozolânicas dos materiais argilosos é função, principalmente, da natureza e conteúdo do argilomineral presente, das condições de calcinação e da finura do produto. A atividade pozolânica desses materiais está também limitada pelo conteúdo de fases inertes que ocorrem associadas, como por exemplo o quartzo. As reações pozolânicas envolvendo argilas ativadas termicamente e o hidróxido de cálcio são, em essência, reações de dissolução e formação de novas fases. No meio fortemente alcalino, característico das misturas contendo hidróxido de cálcio, os argilominerais ativados termicamente encontram-se em forte desequilíbrio físico-químico, proporcionando, a nível de superfície das partículas, a dissolução do alumínio e do silício. Numa etapa posterior, e em função da grande disponibilidade de cálcio desse meio, observa-se a formação de aluminatos (carboaluminato e \'C IND.4\'A\'H IND.13\'), silicatos (gel de C-S-H) e alumino-silicatos de cálcio hidratados (\'C IND.2\'AS\'H IND.8\' - gehlenita hidratada). Sob condições de cura acelerada (55 \'GRAUS\' C) pode-se reconhecer a presença de outro aluminato cálcico hidratado (\'C IND.3\'A\'H IND.6\'). A proporção e a seqüência de formação dessas fases dependem da reatividade e do quimismo da pozolana, do tempo de reação e da proporção pozolana/cal adotada. Com o prosseguimento da reação, os produtos que inicialmente ocorrem como uma película sobre as partículas argilosas começam a se desenvolver também nos espaços vazios da amostra, possibilitando um ganho crescente de resistência mecânica. O C-S-H e a gahlenita hidratada aparecem como os principais responsáveis pelo aumento de resistência mecânica das misturas de argila calcinada e hidróxido de cálcio. Os estudos desenvolvidos permitem concluir, também, que as argilas cauliníticas mal cristalizadas são aquelas mais propícias à fabricação de pozolana. A reatividade dos argilominerais cauliníticos está intimamente relacionada com a geração de metacaulinita. As argilas esmectíticas evidenciam um ganho pouco acentuado de reatividade quando ativadas termicamente. A baixa reatividade dos argilominerais esmectíticos dioctaédricos decorre, aparentemente, da manutenção parcial de suas estruturas, mesmo quando esses materiais são calcinados a temperaturas relativamente elevadas. O aspecto expansivo na hidratação e a tonalidade avermelhada do material, após calcinação, constituem igualmente aspectos indesejáveis do ponto de vista tecnológico. As argilas aluminosas, constituídas de misturas de argilominerais cauliníticos e gibsita, mostram-se bastante adequadas ao processo de ativação térmica, possibilitando a obtenção de um material com atividade pozolânica considerável. O maior conteúdo de A\'l IND.2\'\'O IND.3\' dessas argilas confere-lhes entretanto uma maior refratariedade, deslocando o seu ótimo de reatividade para temperaturas mais elevadas. As gibsitas revelam-se totalmente inadequadas para fabricação de pozolanas, tendo em vista as significativas expansões e as baixas resistências mecânicas observadas. Tal fato evidencia, por outro lado, que o teor de Si\'O IND.2\' reativo é de grande importância para o desempenho mecânico das pozolanas. Finalizando, vale ressaltar que além de propiciarem uma visão mais detalhada dos mecanismos de ativação e reação das pozolanas de argilas, os resultados obtidos nesta pesquisa permitem uma seleção mais criteriosa dos materiais argilosos empregados para essa finalidade e, também uma otimização de suas reatividades. / The addition of pozzolanic materials to Portland cement is becoming increasingly important nowadays, permiting a reduction in its manufacturing energy consumption, and the production of cements with differentiated technological characteristics , in many aspects of better quality than those without additions. In Brazil, the limited distribution of fly ashes and natural pozzolans and the widespread occurrence of clay deposits make the thermal activation of clays one of the most interesting choices to obtain high quality pozzolans. This study, apart from being a review of the \"state of the art\", presents contributions for the better understanding of activation and reaction mechanisms in burnt clay pozzolans. Experiments were carried out to follow up the mineralogical changes in different clay minerals, under controlled heating, with characterization of the obtained calcined materials with regard to their pozzolanic activity. Special attention was given to the recognition and analysis of phases produced by reactions involving calcined clays and calcium hydroxide and, additionally, to the understanding of factors that control the quality and reactivity of these pozzolans. The thermal activation leads to loss of clay minerals structural water and the formation of highly disordered material. The development of pozzolanic properties in clays depends chiefly on the nature and abundance of the clay mineral used, on the calcination conditions, and on the fineness of the product. The pozzolanic activity of these materials is limited also by the content of associated inert phases, such as quartz. Pozzolanic reactions between thermally activated clays and calcium hydroxide are essentially reactions of dissolution and formation of new stable phases. In strongly alkaline mixtures, which contain calcium hydroxide, thermally activated clay minerals are under severe disequilibrium, with ensuing dissolution of aluminium and silicium on the particle surfaces. In a further stage, calcium abundance leads to development of aluminates (carboluminate and C4AH13), silicates (C-S-H gel) and hydrated calcium aluminosilicates (C2ASH8 - hydrated gehlenite). Another calcic aluminate (C3AH6) may crystallize under accelerated cure conditions (at 55°C). The formation sequence and ratio of these phases depend on pozzolan reactivity and chemistry, on reaction time and on the adopted pozzolan/lime ratio. As the reaction proceeds, the products, initially occurring as films over clayish particles, start to develop also in the voids of the sample, increasing the mechanical strength of the mixtures. The C-S-H and hydrated gehlenite are the main phases responsible for the mechanical strength of the pozzolan and calcium hydroxide mixtures. It is also shown that poorly crystallized caolinitic clays are the most suitable material for pozzolan production. The reactivity of caolinitic clays is closely related to the generation of metacaolinite. Thermally activated smectitic clays show only a slight reactivity gain. The low reactivity of dioctahedral smectitic clays seems to be related to the partial maintenance of their structure, even when calcined at relatively high temperatures. Its expansiveness, observed during hydration reactions, and the reddish tones of the material after calcination are also technological drawbacks. Aluminous clays, made up of mixtures of caolinitic clay minerals and gibbsite, are quite suitable for thermal activation, allowing the production of a material with considerable pozzolanic activity. Their greater Al2O3 content, however, gives them a higher refractoriness, so that the heating has to be pushed into higher temperatures. Pure gibbsites are completely inadequate for pozzolan production, on account of their significant expansiveness and low mechanical strength after calcination. These facts also show that the reactive SiO2 content is very important for the mechanical performance of the pozzolans. Besides permiting a more detailed view of activation and reaction mechanisms of clay pozzolans, the results obtained by this research permit a better selection of the clays to be used as staring materials and also an improvement in their pozzolanic activities.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-15092015-145928 |
| Date | 19 April 1989 |
| Creators | Zampieri, Valdir Aparecido |
| Contributors | Kihara, Yushiro |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Dissertação de Mestrado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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