IV. Marco aplicativo
3. Implicaciones en el marketing
3.4. Costos de promoción
ρREAL = Densidade real (g/cm³);
Mtotal = massa total do geopolímero (g);
Mhélio = massa total de gás (g);
Vtotal = volume total do geopolímero (cm³);
Vhélio = volume do gás utilizado (cm³);
3.5.3 DRX – Análise mineralógica por difração de raios X
A análise mineralógica por difração de raios X, permite a identificação mineral por meio da caracterização de sua estrutura cristalina.
O ensaio de DRX foi realizado no LAMIR, em amostra de geopolímeros com 90 dias de cura.
3.5.4 MEV – Microscopia eletrônica de varredura
O microscópio eletrônico de varredura é um dos mais versáteis instrumentos disponíveis para a observação e análise das características microestruturais de materiais sólidos.
Para realização da técnica um feixe de elétrons de pequeno diâmetro é utilizado para explorar a superfície da amostra, ponto a ponto que transmite o sinal do detector a uma tela catódica cuja varredura está sincronizada com aquela do feixe
hélio V total V hélio M total M REAL
incidente. O feixe é guiado de modo a varrer a superfície da amostra segundo uma malha. O sinal recolhido pelo detector é utilizado para modular o brilho do monitor, gerando a imagem (DEDAVID, 2007).
Em geral os microscópios eletrônicos de varredura usam como fonte de elétrons um filamento de tungstênio (W) aquecido, as tensões de aceleração variam de 1 a 50 kV. O feixe é acelerado pela alta tensão criada entre o filamento e o ânodo. Uma sequência de três lentes eletromagnéticas é utilizada para focalizar a amostra menor que 4 nm. A interação entre o feixe e a amostra produz elétrons e fotóns que são contribuintes para que os detectores convertam em sinais de vídeo (DEDAVID, 2007).
O potencial da análise pode ser aumentado com a adaptação de detectores de raios-X, permitindo a análise química da amostra possibilitando a obtenção de informações qualitativas e quantitativas da composição da amostra na região submicrometrica de incidência do feixe de elétrons (MALISKA, 2013).
Para a análise, utilizou-se nesta pesquisa aumentos de 50X e 500X em 3 composições com 90 dias de cura.
A análise foi realizada no LAMIR, o equipamento utilizado foi o microscópio eletrônico de varredura JEOL JSM-6010LA, com uma tensão aplicada de 20 kV. Conforme apresentado a seguir na Figura 14.
Figura 14 – Microscópio Eletrônico de Varredura.
4 RESULTADOS
4.1 ANÁLISE MINERALÓGICA DE DIFRAÇÃO DE RAIOS X (DRX)
4.1.1 DRX – Vidro
O vidro é normalmente caracterizado como amorfo e apesar de não conter fases cristalinas, a análise de DRX para o presente trabalho foi feita justamente para comprovar essa característica. O difratograma resultante de uma amostra vítrea apresenta o halo amorfo na faixa 2θ entre 20 e 35° devido a presença de sílica em sua composição.
O difratograma de DRX do resíduo do vidro é representado pela Figura 15, o material é considerado amorfo por não apresentar picos de fases cristalinas.
Figura 15 – Análise mineralógica de Difração de Raios X
Fonte: A autora, 2019.
Por meio da curva difratométrica da amostra do resíduo do pó de vidro, observa-se a ausência de fases cristalinas, apresentando uma banda típica amorfa em torno de 27°, esta é uma característica da sílica, principal constituinte do vidro.
4.1.2 DRX – Lodo de anodização
A curva difratométrica do lodo de anodização de alumínio seco é representada pela Figura 16.
Figura 16 – Análise mineralógica de Difração de Raios X - LAA
Fonte: A Autora, 2019.
O LAA tem em sua composição grande parte de aluminato de sódio NaAlO2
e silicato de sódio.
Foi observado que parte de hidróxido de alumínio é encontrado no seu estado amorfo e também em forma cristalina como o caso da bayerita.
A bayerita, com fórmula Al(OH)3, é uma das formas cristalinas do hidróxido
de alumínio. Foi encontrado também o sulfato de sódio (thenardita, Na2SO4).
Aluminato de sódio é produzido pela dissolução de hidróxido de alumínio (gibbsita ou bayerita) em uma solução hidróxido de sódio. Tal material é encontrado em abundância devido às peças de alumínio passarem pelos processos de lavagens e fosqueamento, os quais levam em sua composição a solução de hidróxido de sódio conforme descrito no Capítulo 2 desta pesquisa.
A thenardita presente em menor proporção é formada por meio do sulfato de sódio solúvel em água, pode resultar de desidratação de mirabilite.
4.1.3 DRX – Fíler mineral
O resultado da análise de difração para o fíler mineral, está representado pela Figura 17.
Figura 17 – Análise mineralógica de Difração de Raios X
Fonte: A autora, 2019.
Observa-se por meio do teste DRX que este material é em maior parte amorfo, contendo ainda assim, elementos cristalinos (em maior parte quartzo).
A microclina, presente na análise, é um mineral (KAlSi3O8) constituinte das
rochas ígneas, do grupo dos feldspatos alcalinos (RALPH, 2004). A vermiculita é um mineral semelhante à mica, formado por silicatos hidratados de alumínio e magnésio, comuns em minérios ígneos e metamórficos .
A caulinita ou caulim é um argilo-mineral, rico em sílica, este material é formado por meio de silicatos hidratados de alumínio e ferro.
4.2 ANÁLISE QUÍMICA DE FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X (FRX)
4.2.1 FRX – Vidro
Por meio da Tabela 7, pode-se observar os resultados encontrados na análise química do resíduo do pó de vidro.
Tabela 7 – Análise química do resíduo do pó de vidro. Análise Química (% em massa)
Óxidos Quantidade (%)
SiO2 78,00
CaO 16,37
MgO 5,63
Fonte: A Autora, 2019.
Estão presentes na composição do vidro 78,00% de sílica, fundamentais para a formação do vidro, 16,38%de óxido de cálcio e 5,63% de MgO, ambos com a função estabilizadora de evitar que o vidro seja solúvel e impedir que ocorra cristalização.
Ao observar a composição química do resíduo de vidro plano, detecta-se a presença de íons alcalinos de CaO, os quais podem funcionar como mecanismo de ligação entre tetraedros de SiO4 e AlO4. Percebe-se a total ausência de Al2O3, porém
grande quantidade de SiO2, principal componente para formação de uma matriz
geopolimérica.
Pela composição química apresentada pelo ensaio, pode-se dizer que o vidro utilizado nesta pesquisa é do tipo soda-cal-sílica, formado essencialmente pelo derretimento de suas matérias primas, que são; sílica (SiO2), soda e cal, na forma de
Ca(OH)2 e dolomita (CaMg(CO3) 2, que fornece o óxido de magnésio.
4.2.2 FRX – Lodo de Anodização de Alumínio
A análise química realizada no lodo de anodização evidencia o principal óxido constituinte do resíduo, o Al2O3. O alumínio tem origem principalmente na
etapa de decapagem das peças durante o processo de anodização e demais tratamentos de superfícies. Quanto ao porcentual de SO3 na composição do LAA,
não foram identificadas concentrações significativas na composição química.
Os resultados são apresentados pela Tabela 8, onde os teores estão expostos em porcentagem da massa total da amostra.
Tabela 8 – Análise química do Lodo de anodização de Alumínio (LAA). Análise Química (% em massa)
Óxidos Quantidade (%)
Al2O3 97,08
SO3 2,92
Fonte: A Autora, 2019.
O lodo é majoritariamente formado por óxido de alumínio (Al2O3) com um
teor de 97,07%, diferentemente das referências não foi obtido resultado para Na2O,
proveniente de hidróxido de sódio utilizado durante o processo eletroquímico. Normalmente esse constitui cerca de 10% da massa total do resíduo, para verificação o ensaio foi realizado 2 vezes.
A etapa de decapagem durante o processo de tratamento de superfície é a principal justificativa para o alto teor de óxido de alumínio (Al2O3), justificando a
potencialidade para utilização deste material.
Apesar do processo de anodização do alumínio ser o mesmo, cada indústria pode adaptá-lo da maneira que lhe convier, adotando parâmetros diferentes umas das outras, o que justifica a diferença dos componentes químicos encontrados em seus resíduos.
4.2.3 FRX – Fíler mineral
A composição química do fíler determinado pela técnica de FRX é apresentado na Tabela 9 em termos de quantidade em massa dos óxidos presentes.
Tabela 9 – Análise química do fíler. Análise Química (% em massa)
Óxidos Quantidade (%)
SiO2 56,75
Al2O3 27,16
CaO K2O 0,92 7,39 SO3 7,24 TiO2 0,33 Fonte: A Autora, 2019.
O fíler mineral mostrou-se como um aluminossilicato natural, contendo 56,75% de óxidos de sílica e 27,16% de óxidos de alumínio, dois componentes essenciais para a geopolimerização, com razão entre óxidos SiO2/Al2O3 encontrada
de 2,09. Davidovits (1994) recomenda uma razão SiO2/Al2O3 de 1 a 3,3 para uma
completa geopolimerização.
Tais proporções demonstram que o material é resíduo de rochas ígneas de formação intermediária, por conter alto teor de silicatos e alumina. Pode-se destacar o granito com composição química semelhante.
Buscou-se materiais com propriedades químicas semelhantes ao metacaulim, o fíler mineral apresentou-se com maior viabilidade econômica e como um material sustentável por dispensar o processo de calcinação necessário para a obtenção do metacaulim.
4.3 GRANULOMETRIA A LASER
Os ensaios de granulometria a laser foram realizadas no LAMIR (Laboratório de Minerais e Rochas) da UFPR.
O resultado do tamanho médio das partículas é um dado fornecido pelo laboratório, bem como as porcentagens de material passante e retido.
4.3.1 Granulometria Vidro
Os resultados da distribuição do tamanho de partícula do pó de vidro estão representados na Figura 18.
Figura 18 – Distribuição do tamanho de partícula do pó de vidro
Fonte: Autora, 2019.
Para a amostra de pó de vidro se obteve um diâmetro médio para as partículas de 25,75 μm. Observe-se uma larga distribuição granulométrica de tamanho de partículas entre 0,86-360 μm.
As partículas de vidro com maior diâmetro trabalham como pontos de ancoragem para a reação, por ser um material amorfo.
A porcentagem da distribuição foi: diâmetro médio abaixo de 10% passante de 1,81 μm, abaixo de 50% com 25,75 μm e diâmetro abaixo de 90% com 299,00 μm.
É desejável que a maioria das partículas sejam menores que 65 μm, pois grande parte da reação ocorre na interface partícula-líquido e quanto mais finas as partículas, maior é a área de superfície e mais reativo será o material para a composição. A distribuição granulométrica para o vidro é considerada adequada, visto que o material possui diâmetro médio equivalente ao recomendado pela literatura.
4.3.2 Granulometria lodo de anodização de alumínio
Os resultados da distribuição do tamanho de partícula do lodo de anodização de alumínio estão representados na Figura 19.
Figura 19 – Distribuição do tamanho de partícula do lodo de anodização de alumínio
Fonte: Autora, 2019.
O diâmetro médio para a amostra foi de 46,45 μm, com este resultado constatou-se que o lodo utilizado possui uma distribuição granulométrica de acordo com o recomendado na bibliografia.
A porcentagem da distribuição foi: diâmetro médio abaixo de 10% passante de 3,22 μm, abaixo de 50% com 46,45 μm e diâmetro abaixo de 90% com 294,00 μm.
O diâmetro médio é 79% maior que o das partículas de vidro, no entanto a faixa de distribuição é bastante parecido, variando de 1,34 a 352 μm.
A variação entre os tamanhos das partículas é interessante para a composição geopolimérica, uma vez que essa influencia o volume de vazios da mistura, diminuindo assim a porosidade. Não foi avaliada a morfologia e grau de esfericidade dos materiais, mas sabe-se que este fator é responsável pela larga faixa de tamanhos de partículas, pois quanto mais esféricas forem as partículas, mais homogênea e estreita será a faixa de distribuição.
4.3.3 Granulometria fíler
Os resultados da distribuição do tamanho de partícula do fíler, estão representados na Figura 20.
Figura 20 – Distribuição de tamanho de partícula do fíler mineral.
Fonte: Autora, 2019.
O diâmetro médio para a amostra foi de 9,66 μm. Por meio deste resultado pode-se dizer que o material utilizado possuí a maior finura das partículas comparando-o aos outros utilizados nesta pesquisas.
A porcentagem da distribuição foi: diâmetro médio abaixo de 10% passante de 1,63 μm, abaixo de 50% com 9,66 μm e diâmetro abaixo de 90% com 45,37 μm.
O diâmetro médio é 5 vezes menor que o das partículas de LAA e representa 40% do tamanho das partículas de vidro, a faixa de distribuição é homogênea e estreita, variando de 0,49 a 66,92 μm.
Por ter uma distribuição bastante homogênea este material possui maior de esfericidade em comparação com os outros materiais desta pesquisa.
O fíler por ter diâmetros muito menores proporcionará a mistura maior empacotamento das partículas e evitará vazios com água aprisionada, aumentando a densidade e diminuindo a porosidade do material resultante.
Todos os resíduos utilizados nesta pesquisa apresentaram granulometrias médias mais finas que a especificada para o cimento Portland CPI-S que é de 65 µm.
4.4 AVALIAÇÃO DO MATERIAL SINTETIZADO
4.4.1 Resistência mecânica
A resistência mecânica está relacionada com a capacidade de um corpo ou estrutura de resistir a um esforço aplicado. No estudo dos geopolímeros o tipo de material utilizado na composição, a relação sólido/líquido e a porosidade são algumas das variáveis que influenciam diretamente no valor dessa propriedade mecânica.
Ressalta-se que os materiais sintetizados para este projeto experimental foram curados em temperatura ambiente. Como já mencionado, a cura ambiente é almejada, pois dispensa o gasto energético e equipara-se a propriedade de cura dos cimentos tradicionais apesar do conhecimento de que a cura térmica proporciona aos geopolímeros maiores resistências.
A resistência mecânica dos geopolímeros sintetizados foi obtida em um ensaio mecânico de compressão conforme NBR 7215:1997 - Cimento Portland - Determinação da resistência à compressão, foram testados 18 corpos de prova para cada composição em 3 idades diferentes de idade 7, 28 e 90 dias, 6 elementos para cada idade.
A Figura 21 refere-se às resistências mecânicas em megapascal (MPa) das composições geopoliméricas com 7, 28 e 90 dias de idade em temperatura ambiente. No gráfico de barras, cada coluna representa a média da resistência à compressão e respectivo desvio padrão para ensaios realizados em 6 amostras para cada composição em cada idade.
Figura 21 – Resistência mecânica dos geopolímeros com 7, 28 e 90 dias de idade.
Fonte: A autora, 2019.
A Tabela 10, é referente aos resultados numéricos representados na Figura 21 por meio do gráfico de barras.
Tabela 10 – Tabela das resistência mecânica encontradas para CP’s em cura em temperatura ambiente. Composição 7 dias (MPa) Desvio padrão (MPa) 28 dias (MPa) Desvio padrão (MPa) 90 dias (MPa) Desvio padrão (MPa) 1 0,73 0,35 2,05 0,42 2,95 0,08 2 0,98 0,27 1,84 0,18 2,99 0,21 3 1,44 0,29 5,26 0,6 7,19 0,76 4 1,71 0,35 6,43 0,74 7,58 0,96 5 3,46 0,53 11,85 1,21 17,78 1,01 6 3,34 0,49 13,62 1,64 17,61 1,02 7 2,99 0,44 12,31 0,85 15,77 0,77 8 2,75 0,35 12,36 1,57 14,83 1,88 9 3,10 0,36 14,02 1,43 16,21 1,41 10 2,94 0,42 13,56 1,06 15,07 0,62 Fonte: A Autora, 2019.
A mistura de número 5, com 30% de vidro, 17,5% de LAA e 22% de fíler como componentes sólidos e 10% de NaOH, 20% de silicato como solução aquosa, obteve maior média de resistência à compressão em idade de 7 dias de idade à temperatura ambiente, esta composição obteve 3,46 MPa e desvio padrão de 0,43
MPa, seu coeficiente de variação foi de 0,095. O desvio padrão e coeficiente de variação expressam uma boa precisão e a repetitividade do ensaio.
Os menores resultados observados foram aqueles onde a concentração de solução de hidróxido de sódio foram maiores (composições 1, 2 e 3).
Comparando-se o resultado entre as composições 4 e 5, percebe-se que o aumento da proporção de silicato de sódio na composição aumenta a resistência à compressão. A composição 4 é semelhante a outra, porém altera-se as composição da parte líquida, com 10% de NaOH e 20% de silicato, ficando bem evidente que o acréscimo da solução de NaOH diminui a resistência enquanto o silicato aumenta. O silicato atua como fornecedor de moléculas de sílica, essenciais para o processo de geopolimerização.
Com base no resultado obtido neste ensaio é possível afirmar que o tempo necessário para endurecimento dos geopolímeros em temperatura ambiente é prolongado e que a adição da solução de hidróxido de sódio reduz a resistência mecânica enquanto o silicato de sódio aumenta.
O material sintetizado aos 7 dias de idade apresentava aspecto de umidade e essa característica se manteve até os 28 dias, quando foram feitos novos ensaios.
Para as composições 1, 2 e 3 as características de umidade foram mais evidentes devido a maior quantidade de líquidos na composição. Nota-se que a resistência mecânica para estas amostras foram menores o que evidencia que ainda não estavam totalmente endurecidos.
O teste de variância foi realizado para verificar diferenças significativas entre as médias encontradas no estudo e determinação da influência de cada componente na resistência mecânica.
A Tabela 11 refere-se ao resultados obtidos da análise de variância, por meio da ANOVA, foi adotado um nível de significância α de 0,95.
Tabela 11 – Análise de variância da resistência mecânica com 7 dias de idade. Análise de variância Modelo SQ GL MQ F p R² Linear 9,07 5 1,81 20,49 0,0059 0,962 Total Ajustado 9,43 9
SQ = soma dos quadrados; GL = graus de liberdade; MQ = médias quadráticas; F = teste de Fischer; p = teste de confiabilidade; R2 = ajuste ao modelo.
Fonte: A Autora, 2019.
Pela análise dos resultados da ANOVA, pode-se concluir que a proporção de cada elemento influencia na resistência mecânica do material, devido o valor de p ser muito menor que o nível de significância adotado de 0,05, eliminando a hipótese nula, em que não existe variação entre as médias. Este mesmo resultado foi observado para 7, 28 e 90 dias de idade.
O R² na tabela varia de 0 a 1 e representa a porcentagem de variação na resposta que é explicada pelo modelo. O alto valor de R² indica que o modelo está ajustado para os dados apresentados.
A Figura 22 apresenta o diagrama de Pareto para a resistência mecânica à compressão com 7 dias de idade. O diagrama de Pareto é uma técnica estatística utilizada na tomada de decisão que permite selecionar e priorizar um número de itens capazes de causar grandes efeitos na melhoria de processos. No caso de desenvolvimento de novos materiais, esta ferramenta permite verificar quais são as principais variáveis do estudo e é uma forma de verificação da regressão linear
Para este estudo foi utilizado o software Statistica para obtenção dos diagramas de Pareto e os gráficos de superfícies.
A magnitude dos efeitos é representada pelas colunas e a linha transversal demonstra a magnitude dos efeitos com significado estatístico, ao nível de significância de 5%.
Os cálculos dos efeitos lineares e quadráticos demonstram o quão representativa é uma variável estatisticamente. As variáveis que apresentam resultados positivos exercem aumento da resposta, enquanto valores negativos representam o oposto.
Figura 22 – Diagrama de Pareto da resistência mecânica com 7 dias de idade.
Fonte: Da Autora, 2019.
Pode-se observar pelo diagrama de Pareto que todos os elementos empregados no experimento auxiliaram positivamente para o ganho de resistência do geopolímero, com exceção da solução de hidróxido de sódio.
O silicato de sódio e o resíduo de lodo de anodização são os que mais influenciaram positivamente para o desenvolvimento de resistência mecânica dos geopolímeros com 7 dias de idade. Nota-se a influência da solução de hidróxido de sódio na composição, atuando de maneira negativa para o ganho de resistência.
Usa-se o gráfico de superfície de resposta para examinar como os valores de resposta ajustada se relacionam a duas variáveis contínuas baseadas em uma equação modelo, é um gráfico de grade tridimensional, útil para verificar condições de funcionamento.
Foi gerado um gráfico de superfície de resposta para analisar o comportamento da resistência mecânica dos geopolímeros com 7 dias de idade e a relação entre os dois elementos que mais influenciam na composição, conforme apresentado na Figura 23.
Figura 23 – Gráfico de superfície de resposta para a resistência mecânica dos geopolímeros