BR112021001107A2 - uso de uma argila na preparação de um precursor geopolimérico - Google Patents

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Abstract

USO DE UMA ARGILA NA PREPARAÇÃO DE UM PRECURSOR GEOPOLIMÉRICO. A presente invenção se refere ao uso de uma argila compreendendo: - menos de 30% de caulinita; e - pelo menos 20% de muscovita e/ou ilita; - de 1% a 20% de esmectita; sendo a relação em peso muscovita e/ou ilita/caulinita superior a 1; para a preparação de um precursor geopolimérico.

Description

USO DE UMA ARGILA NA PREPARAÇÃO DE UM PRECURSOR GEOPOLIMÉRICO
[001] A presente invenção se refere ao uso de uma argila na preparação de um precursor geopolimérico.
[002] A produção de aglutinantes hidráulicos, e em particular de cimentos, consiste essencialmente em uma calcinação de uma mistura de matérias- primas devidamente selecionadas e dosadas, também designada de “mistura bruta”. O cozimento dessa mistura bruta resulta em um produto intermediário, o clínquer, que, quando moído com possíveis adições minerais, resultará em cimento. O tipo de cimento produzido depende da natureza e das proporções das matérias-primas, bem como do método de cozimento. Diferentes tipos de cimentos podem ser distinguidos: cimentos Portland (que representam a grande maioria dos cimentos produzidos em todo o mundo), cimentos aluminosos (ou aluminato de cálcio), cimentos naturais prontos, cimentos sulfo-aluminosos, cimentos sulfo-belíticos e outras variedades intermediárias.
[003] Os cimentos mais difundidos são os cimentos do tipo Portland. Cimentos Portland são obtidos a partir do clínquer Portland, obtido após clinquerização a uma temperatura na faixa de 1450°C de uma mistura bruta rica em carbonato de cálcio em um forno. A produção de uma tonelada de cimento Portland é acompanhada pela emissão de grandes quantidades de CO 2 (cerca de 0,8 a 0,9 toneladas de CO2 por tonelada de cimento no caso de um CEM I).
[004] Ainda assim, em 2014, a quantidade de cimento vendido no mundo foi em torno de 4,2 bilhões de toneladas (fonte: Sindicato Francês da Indústria do Cimento – SFIC). Esse número constantemente crescente mais que dobrou em 15 anos. O desenvolvimento de cimentos alternativos com menor pegada de carbono é o foco de muitas pesquisas.
[005] Neste contexto, e nos últimos anos, uma família de aglutinantes não hidráulicos, mas ativados por uma solução química, os geopolímeros, tem-se mostrado uma possível solução para a redução do impacto do carbono nos materiais de construção.
[006] Geopolímeros são obtidos através da associação de dois constituintes: - um sólido na forma de um pó denominado “precursor”; e - uma solução de ativação comumente chamada de “ativador”.
[007] Esses materiais de construção têm uma resistência de longo prazo comparável à dos materiais de construção preparados com cimentos Portland convencionais e podem ser preparados enquanto limitam significativamente as emissões de CO2.
[008] Caulinita é uma argila com a fórmula ASH2 onde A representa alumina Al2O3, S representa sílica SiO2 e H representa água H2O. Sua estrutura cristalográfica é organizada em folhetos de sílica e alumina ligados entre si por moléculas de água.
[009] Quando a caulinita é levada a uma temperatura de 500°C a 700°C, suas moléculas de água são eliminadas na forma de vapor de água, o que acarreta diversas consequências em termos de estrutura e reatividade, entre as quais: - um desaparecimento do layout dos folhetos resultando na introdução de uma desordem estrutural (isso é chamado de amorfização); e - um aumento muito alto na superfície específica de Blaine que pode atingir várias dezenas de vezes a de um cimento convencional.
[010] A calcinação de argilas caulínicas permite a obtenção de um material, convencionalmente denominado ”metacaulim”. Metacaulim é bem conhecido para os técnicos no assunto e constitui, em particular, uma adição para o concreto, reconhecido em padrões como a sílica ativa. Em particular,
metacaulim é usado como um precursor geopolimérico.
[011] No entanto, a calcinação da caulinita permitindo a obtenção do metacaulim consome muita energia e, portanto, é cara. Além disso, o metacaulim só pode ser encontrado em quantidades limitadas e, portanto, seu preço é alto.
[012] Para contornar essa dificuldade, o uso de uma argila natural baixa em caulinita e disponível em maiores quantidades para a preparação de precursores geopoliméricos por calcinação foi testado. Contudo, os materiais finalmente obtidos têm desempenhos mecânicos insatisfatórios, e esta solução é menos privilegiada na data da presente invenção.
[013] Ainda assim, surpreendentemente, foi agora verificado que argilas tendo teores de caulinita substancialmente inferiores a 35%, mas ricas em muscovita e/ou ilita e ainda contendo esmectita podem, uma vez calcinadas, ser usadas como um precursor geopolimérico, e que os geopoliméricos preparados a partir deste precursor, sozinho ou combinado com outro precursor convencionalmente usado, têm uma resistência de longo prazo comparável àquela dos materiais de construção preparados a partir dos cimentos Portland convencionais ou geopoliméricos obtidos de argilas ricas em caulinita.
[014] Assim, a presente invenção se refere ao uso de uma argila compreendendo: - menos de 30% de caulinita; - pelo menos 20% de muscovita e/ou ilita; e - de 1% a 20% de esmectita; - sendo a razão em peso de muscovita e/ou ilita/caulinita superior a 1; para a preparação de um precursor geopolimérico.
[015] As argilas acima descritas, ricas em muscovita e/ou ilita e ainda contendo esmectita, mas com teores de caulinita substancialmente inferiores a 35%, podem, uma vez calcinadas, ser usadas como precursores geopoliméricos. Os geopoliméricos preparados a partir deste precursor, sozinho ou combinado com outro precursor convencionalmente usado, têm uma resistência de longo prazo comparável à dos materiais de construção preparados a partir de cimentos Portland convencionais ou geopoliméricos obtidos a partir de argilas ricas em caulinitas. Além disso, a calcinação das argilas de acordo com a invenção é menos intensiva em energia do que a das argilas ricas em caulinitas.
[016] No contexto da presente invenção: - por “argila”, deve ser entendido qualquer material natural rico em alumina e sílica, constituído essencialmente por silicatos e filossilicatos; - por “muscovita”, deve ser entendido o mineral da família dos filossilicatos de fórmula KAl2(AlSi3O10)(OH,F)2; - por “ilita”, deve ser entendido o mineral da família dos filossilicatos de fórmula (K,H3O)(Al,Mg,Fe)2(Si,Al)4O10[(OH)2,(H2O)]; - por “caulinita”, deve ser entendido o mineral da família dos filossilicatos de fórmula Al2Si2O5(OH)4; - por “esmectita”, deve ser entendido o mineral da família dos filossilicatos de fórmula típica A0,3D2-3T4O10Z2 • n H2O, onde A representa um cátion interfoliar (elemento alcalino ou alcalino-terroso), D um cátion octaédrico, T um cátion tetraédrico, O oxigênio e Z um ânion monovalente (em geral OH-). Como exemplo de esmectita, pode ser feita menção em particular à montmorillonita; - por “calcita”, deve ser entendido um polimorfo de carbonato de cálcio CaCO3; - por “dolomita”, deve ser entendido carbonato de magnésio MgCO3; - por “microclina", deve ser entendido o mineral da família dos tectossilicatos de fórmula KAlSi3O8; - por “hematita”, deve ser entendido óxido de ferro (III) Fe2O3; - por “fase amorfa”, deve ser entendido a fração de difração não ou pouco difratora do material. Na difração de raios X, apenas as espécies difratoras podem ser identificadas e quantificadas por meio do método de Rietveld usando o método de padrões internos ou externos; - por “geopolimérico precursor”, deve ser entendido qualquer material suscetível de ser solubilizado por uma solução de ativação constituída por um silicato (em particular um silicato de sódio ou potássio) e/ou de um alcalino (em particular soda ou potassa), ou de um ácido (em particular ácido fosfórico), em monômeros de aluminatos e silicatos que podem levar a um geopolímero por policondensação; e - por “geopolimérico”, deve ser entendido qualquer material aluminossilicato alcalino, material alcalino ativado ou polímero inorgânico, obtido através da reação de um precursor de aluminossilicato e uma solução de ativação constituída por um silicato (em particular um silicato de sódio ou potássio) e/ou um alcalino (em particular soda ou potassa), ou um ácido (em particular ácido fosfórico). A solução de ativação permite a dissolução do precursor de aluminossilicato em monômeros de aluminatos e silicatos que são policondensados em um material inorgânico.
[017] No contexto da presente invenção, o diâmetro médio ou d50 corresponde ao diâmetro abaixo do qual está a massa total de 50% das partículas da amostra considerada. Isto pode ser determinado por qualquer método conhecido pelos técnicos no assunto, em particular por análise de difração de laser por via seca ou úmida.
[018] Finalmente, no contexto da presente invenção, as proporções expressas em % correspondem a percentagens de massa em razão ao peso total da entidade considerada.
[019] Portanto, um objeto da presente invenção é o uso de uma argila tendo as características mineralógicas acima descritas para a preparação de um precursor geopolimérico. Preferencialmente, um objeto da presente invenção é o uso de uma argila conforme definido anteriormente para a preparação de um precursor geopolimérico, a referida argila tendo as seguintes características, consideradas separadamente ou em combinação: - a argila contém menos de 25% de caulinita, ainda preferencialmente menos de 20% de caulinita, muito preferencialmente menos de 15% de caulinita; - a argila contém pelo menos 25% de muscovita e/ou ilita, ainda preferencialmente de 25% a 50% de muscovita e/ou ilita, muito preferencialmente ainda de 25% a 40% de muscovita e/ou ilita; - a razão em peso de muscovita e/ou ilita/caulinita na argila usada é superior a 1, muito preferencialmente superior a 2; - a argila contém de 2% a 17% de esmectita, preferencialmente de 3% a 15% de esmectita, muito preferencialmente de 5% a 10% de esmectita; - a argila contém ainda pelo menos 1% de calcita, preferencialmente pelo menos 2% de calcita, muito preferencialmente de 3% a 5% de calcita; - a argila contém ainda uma fase amorfa contendo sílica, alumina e/ou cálcio. Preferencialmente, a argila contém de 1% a 20% da referida fase amorfa. Ainda preferencialmente, a argila contém de 3% a 10% da referida fase amorfa; e/ou - a argila contém ainda clorita, quartzo, dolomita, microclina e/ou hematita.
[020] Portanto, a argila descrita acima pode ser usada para preparar um precursor geopolimérico por calcinação. Assim, outro objeto da presente invenção é um método para preparar um precursor geopolimérico a partir da argila previamente descrita, o referido método compreendendo as seguintes etapas: - possível secagem e depois possível moagem da argila; - calcinação do material obtido a uma temperatura compreendida entre 650°C e 900°C; e - possível desaglomeração da argila calcinada obtida, por exemplo por moagem, até atingir um diâmetro médio de 10 µm a 20 µm.
[021] Durante a possível moagem da argila antes da calcinação, esta é preferencialmente realizada de forma a obter um pó 100% passando por uma peneira de 2 mm.
[022] A etapa de calcinação pode ser conduzida usando um calcinador rotativo, dentro do qual dura cerca de 30 a 90 minutos. Contudo, um “calcinador flash” também pode ser usado para calcinar a argila a fim de obter um precursor geopolimérico, caso em que a etapa de calcinação é muito breve (1 a 2 segundos, e ainda mais curta). O fato de poder ser utilizado um calcinador flash permite reduzir consideravelmente a energia necessária para a calcinação e para a preparação do precursor geopolimérico.
[023] Durante a possível moagem da argila calcinada, esta é realizada até atingir um diâmetro médio menor ou igual a 25 µm, ainda preferencialmente menor ou igual a 20 µm, muito preferencialmente menor ou igual a 15 µm.
[024] A presente invenção pode ser ilustrada, sem limitação, pelos seguintes exemplos. Exemplo 1 - Calcinação da argila
1.1 - Composição da argila
[025] É usada uma argila bruta tendo a composição mineralógica relatada na Tabela 1 a seguir.
Categoria Fase % (p/p) Muscovita/ilita 39,8 Caulinita 14,9 Argilas Clorita 5,6 Esmectita 7,9 Calcita 4,1 Carbonatos Dolomita 5,4 Quartzo 12,2 Hematita 1 Outros Albita 0,4 Anatase 2,1 Microclina 2,3 Fase amorfa 4,3 Tabela 1 - Composição mineralógica da argila antes da calcinação
[026] A argila acima tem a composição química (em% (p/p)) relatada na Tabela 2 a seguir.
Perda SiO2(%) Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 K2O Na2O SrO TiO2 P2O5 MnO de ignição 47,79 20,94 6,16 4,24 2,90 0,08 2,75 0,26 0,02 0,99 0,08 0,04 13,83 Tabela 2 - Composição química da argila antes da calcinação
[027] A argila usada tem ainda as características físicas relatadas na Tabela 3 a seguir. Densidade (em g/cm3) 2,6 Superfície específica Blaine (em cm2/g) 2300
BET (em m2/g) 43,9 Tabela 3 - Características físicas da argila antes da calcinação
1.2 - Calcinação da argila
1.2.1 - No forno de laboratório
[028] A argila acima descrita é seca por 12 horas a 105°C e depois moída em um moinho de anel até atingir um diâmetro médio de 30 a 40 µm. O pó preparado desta maneira é cozido em um forno de laboratório em bateladas de 200g a 800°C por 1h00 com carregamento e descarregamento a quente. A seguir, a argila calcinada obtida desta forma (argila calcinada AC-1) é novamente moída levemente em moinho planetário (15 segundos, 700 rpm) para desaglomerar e obter um diâmetro médio de 20 µm.
1.2.2 - No calcinador flash
[029] A argila acima descrita é seca por 72 horas a 105°C e a seguir triturada em um britador de mandíbulas até obter passagem de 100% através de uma peneira de 2 mm. Em seguida, o pó obtido desta forma é calcinado em um calcinador flash a 625°C (argila calcinada ACF-1), 780°C (argila calcinada ACF-2), 870°C (argila calcinada ACF-3) ou 875°C em atmosfera redutora (argila calcinada ACF-4) com tempo médio de permanência de 1 a 2 segundos. A seguir, a argila calcinada assim obtida é moída novamente em moinho vertical para desaglomeração e obtenção de diâmetro médio de 10-11 µm.
[030] As argilas calcinadas obtidas desta forma são analisadas. A composição mineralógica (em% (p/p)) deste último é relatada na Tabela 4 a seguir. Categoria Fase ACF-1 ACF-2 ACF-3 ACF-4 Muscovita/ilita 26,4 24,8 17,6 17,2 Argilas Caulinita 5,8 2,5 - -
Clorita 3,1 - - - Calcita 3,3 3 1,7 2,1 Carbonatos Dolomita 1,1 0,2 - - Quartzo 10,7 11,8 12,1 11,9 Hematita 1,7 1,8 1,9 1,6 Outros Microclina 4,2 3,5 2,3 2,3 Cal livre - 0,5 0,5 0,4 Periclase - 0,5 0,4 0,4 Fase amorfa 43,8 51,3 63,4 64 Tabela 4 - Composição mineralógica das argilas calcinadas ACF-1 a ACF-4 Exemplo 2 - Composição de argamassa Preparação das argamassas 1 a 10
[031] Neste exemplo, o precursor geopolimérico é a argila calcinada ACF-
3.
[032] Uma argamassa de referência (doravante a Argamassa 1) é preparada a partir de um cimento Portland CEM II 32.5 de acordo com a norma EN 196-1. A composição da argamassa 1 é a seguinte: - 450g de cimento CEM II 32,5; - 1350g de areia padrão; e - 225g de água.
[033] Por sua vez, as argamassas 2 a 10 foram preparadas a partir de 506 a 570mL de um aglutinante geopolimérico e 1350g de uma areia padrão, sendo a composição do aglutinante geopolimérico a seguinte: - 561mL – 54% de ACF-3/9% de SiO2/8% de Na2O/29% de água (argamassa 2); - 523mL – 51% de ACF-3/9% de SiO2/7% de Na2O/33% de água (argamassa 3);
- 506mL – 49% de ACF-3/11% de SiO2/10% de Na2O/31% de água (argamassa 4); - 566mL – 53% de ACF-3/7% de SiO2/9% de Na2O/31% de água (argamassa 5); - 547mL – 56% de ACF-3/6% de SiO2/8% de Na2O/30% de água (argamassa 6); - 558mL – 57% de ACF-3/8% de SiO2/5% de Na2O/30% de água (argamassa 7); - 570mL – 52% de ACF-3/11% de SiO2/8% de Na2O/28% de água (argamassa 8); - 554mL – 55% de ACF-3/8% de SiO2/8% de Na2O/29% de água (argamassa 9); e - 557mL – 56% de ACF-3/10% de SiO2/6% de Na2O/29% de água (argamassa 10). Resistência mecânica
[034] A resistência mecânica das argamassas é medida de acordo com a norma EN 196-1 em corpos de prova prismáticos 4x4x16 cm3 das argamassas preparadas a 20°C.
[035] Os resultados das medições da resistência à compressão (Rc) em 7 dias são relatados na Tabela 5 a seguir. Resistência à compressão em 7 dias Argamassa (em MPa) 1 (referência) 30 2 20,6 3 18 4 10 5 12,3
Resistência à compressão em 7 dias Argamassa (em MPa) 6 19,3 7 20,4 8 18,6 9 18,1 10 28,7 Tabela 5 - Resistências à compressão
[036] Verifica-se que as argamassas preparadas a partir de um geopolímero obtido a partir de uma quantidade suficiente de argila calcinada (argamassas 2, 3, 6, 7, 8, 9 e 10) têm resistência mecânica aos 28 dias, que é comparável à da argamassa preparada apenas a partir do cimento Portland (argamassa 1) e comparável com a argamassa preparada a partir de um cimento Portland. Exemplo 3 - Composição de argamassa Preparação das argamassas 11 a 16
[037] Neste exemplo, o precursor geopolimérico é uma mistura de argila calcinada ACF-3 e metacaulim (MK) nas seguintes proporções: - 55% de ACF-3; e - 45% de metacaulim.
[038] As argamassas 11 a 16 foram preparadas a partir de 506 a 598mL de um aglutinante geopolimérico e 1350g de uma areia padrão, sendo a composição do aglutinante geopolimérico a seguinte: - 598mL – 51% de MK/7% de SiO2/9% de Na2O/33% de água (argamassa 11 - referência); - 563mL – 54% de MK+ACF-3/9% de SiO2/8% de Na2O/29% de água (argamassa 12);
- 506mL – 52% de MK+ACF-3/9% de SiO2/7% de Na2O/31% de água (argamassa 13); - 570mL – 52% de MK+ACF-3/12% de SiO2/8% de Na2O/29% de água (argamassa 14); - 553mL – 55% de MK+ACF-3 /8% de SiO2/8% de Na2O/29% de água (argamassa 15); e - 566mL – 56% de MK+ACF-3/10% de SiO2/6% de Na2O/29% de água (argamassa 16). Resistência mecânica
[039] A resistência mecânica das argamassas é medida em corpos de prova prismáticos 4x4x16 cm3 de argamassas preparadas a 20°C de acordo com a norma EN 196-1.
[040] Os resultados das medições da resistência à compressão (Rc) são relatados na Tabela 6 a seguir. Resistência à compressão em 7 dias Argamassa (em MPa) 11 (referência) 41,2 12 48,4 13 43,3 14 50,0 15 43,5 16 39,8 Tabela 6 - Resistências à compressão
[041] Verifica-se que as argamassas preparadas a partir de um geopolímero obtido a partir de uma mistura de metacaulim e argila calcinada (argamassas 12 a 16) têm uma resistência mecânica em 7 dias, que é superior à de uma argamassa preparada a partir de um geopolímero obtido apenas do metacaulim (argamassa 11). Exemplo 4 - Testes comparativos
[042] É usada uma argila de matéria prima com a composição mineralógica relatada na Tabela 7 a seguir.
Categoria Fase % (p/p) Muscovita/ilita 60,2 Caulinita 16,2 Argilas Clorita 0 Esmectita 0 Calcita 5,4 Carbonatos Dolomita 0,2 Quartzo 1,9 Hematita 0 Outros Albita 0,8 Anatase 0,1 Microclina 15,2 Fase amorfa 0 Tabela 7 - Composição mineralógica da argila antes da calcinação
[043] Portanto, esta argila não contém esmectita.
[044] Esta argila é calcinada nas condições descritas para a argila ACF-3 (cf. Exemplo 1 - item 1.2). A argila calcinada ACF-5 é assim obtida.
[045] As argamassas 17 a 19 foram preparadas de 506 a 598mL de um aglutinante geopolimérico e 1350g de uma areia padrão, sendo a composição do aglutinante geopolimérico a seguinte: - 563mL - 54% de ACF-5/9% de SiO2/8% de Na2O/29% de água (argamassa 17);
- 506mL - 52% de ACF-5/9% de SiO2/7% de Na2O/31% de água (argamassa 18); e - 570ml - 52% de ACF-5/12% de SiO2/8% de Na2O/29% de água (argamassa 19). Resistência mecânica
[046] A resistência mecânica das argamassas é medida em corpos de prova prismáticos 4x4x16 cm 3 de argamassas preparadas a 20°C de acordo com a norma EN 196-1.
[047] Os resultados das medições da resistência à compressão (Rc) são relatados na Tabela 8 a seguir.
Argamassa Resistência à compressão em 7 dias (em MPa) 17 <3,0 18 <3,0 19 <3,0 Tabela 8 - Resistências à compressão
[048] Conclui-se que as argamassas preparadas a partir de um geopolímero obtido a partir da argila calcinada ACF-5 (argamassas 17 a 19) têm baixíssimas resistências mecânicas. Essas resistências mecânicas são inferiores ao limiar de detecção da prensa. Essas resistências são muito inferiores às obtidas em uma argamassa composta pela argila ACF-3.

Claims (14)

REIVINDICAÇÕES
1. Uso de uma argila que compreende: - menos de 30% de caulinita; - pelo menos 20% de muscovita e/ou ilita; e - de 1% a 20% de esmectita, em que a razão em peso de muscovita e/ou ilita/caulinita é superior a 1; caracterizado pelo fato de ser para a preparação de um precursor geopolimérico.
2. Uso de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a argila contém menos de 25% de caulinita.
3. Uso de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a argila contém menos de 20% de caulinita.
4. Uso de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a argila contém pelo menos 25% de muscovita e/ou ilita.
5. Uso de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a argila contém de 25% a 50% de muscovita e/ou ilita.
6. Uso de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a razão em peso de muscovita e/ou ilita/caulinita na argila utilizada é superior a 2.
7. Uso de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a argila contém de 2% a 17% de esmectita.
8. Uso de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a argila contém de 3% a 15% de esmectita.
9. Uso de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que a argila contém ainda pelo menos 1% de calcita.
10. Uso de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que a argila contém de 15% a 55% de uma fase amorfa contendo sílica, alumina e/ou cálcio.
11. Uso de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a argila contém de 20% a 50% de uma fase amorfa contendo sílica, alumina e/ou cálcio.
12. Uso de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que a argila contém ainda clorita, quartzo, dolomita, microclina e/ou hematita.
13. Método para preparar um precursor geopolimérico, caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas: - possível secagem e então possível moagem da argila definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 12; - calcinação do material obtido a uma temperatura compreendida entre 650°C e 900°C; e - possível desaglomeração da argila calcinada obtida até atingir um diâmetro médio de 10 µm a 20 µm.
14. Invenção de produto, processo, sistema, kit ou uso, caracterizada pelo fato de que compreende um ou mais elementos descritos no presente pedido de patente.
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