Effect of activator composition on strength evolution and silicon-oxygen network reconstruction of rice husk ash-based sodium silicate-activated waste glass powder cementitious materials
Este estudo demonstra que, entre materiais cimentícios de pó de vidro residual ativados por silicato de sódio à base de cinza de casca de arroz preparados com variados módulos, um módulo de 1,5 produz a maior resistência à compressão aos 28 dias (39,6 MPa) ao otimizar o equilíbrio entre a despolimerização da rede em idade precoce e a policondensação em idade tardia, conforme evidenciado por um aumento significativo na razão de oxigênio de ponte.
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No mundo moderno, a indústria da construção enfrenta um desafio duplo: deve encontrar formas de construir estruturas mais fortes e duráveis e, ao mesmo tempo, reduzir a enorme pegada de carbono deixada pela produção tradicional de cimento. Ao mesmo tempo, as cidades estão gerando quantidades enormes de resíduos sólidos, particularmente vidro, que não apodrece nem se decompõe naturalmente e muitas vezes acaba preenchendo aterros sanitários. Cientistas sabem há muito tempo que o vidro triturado pode ser usado como substituto para parte da areia e do cascalho no concreto, mas simplesmente misturá-lo não é suficiente para torná-lo forte. Para transformar o vidro residual em um material aglutinante que mantém os edifícios unidos, os pesquisadores utilizam um processo chamado ativação alcalina. Isso envolve misturar o pó de vidro com um líquido altamente alcalino, que atua como um solvente químico para decompor a estrutura rígida do vidro e, em seguida, remontá-la em um novo gel sólido. A chave para esse processo reside no próprio líquido ativador. Se o líquido for muito forte, ele decompõe o vidro rapidamente, mas pode não ter blocos de construção suficientes restantes para formar uma rede forte mais tarde. Se for muito fraco, não conseguirá dissolver o vidro de forma eficaz em primeiro lugar. Encontrar o equilíbrio perfeito é essencial para criar um material que seja tanto ecologicamente correto quanto mecanicamente robusto.
Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Quzhou, na China, partiu para resolver esse equilíbrio utilizando dois materiais residuais específicos: pó de vidro residual e cinza de casca de arroz. A cinza de casca de arroz é um subproduto do processamento de arroz que é rico em sílica, o mesmo ingrediente principal encontrado no vidro e na areia. Em vez de comprar produtos químicos comerciais caros para ativar o vidro, a equipe criou seu próprio ativador líquido dissolvendo a cinza de casca de arroz em uma solução de hidróxido de sódio. Eles então misturaram esse líquido caseiro com o pó de vidro residual para criar uma pasta. Para entender como a receita afeta a resistência final, eles prepararam três lotes diferentes. Em cada lote, mantiveram a quantidade de vidro constante, mas alteraram a proporção dos ingredientes no ativador líquido. Um lote tinha uma proporção menor de sílica para sódio, outro tinha uma proporção média e o terceiro tinha uma proporção alta. Eles então testaram o quão duro esses materiais se tornavam após uma semana e após quatro semanas.
Os resultados revelaram um padrão claro de como o material se desenvolvia ao longo do tempo. Após apenas uma semana, o lote com a menor proporção de sílica foi o mais forte, atingindo uma resistência à compressão de 31,4 MPa. Isso aconteceu porque a maior concentração do componente alcalino naquela mistura quebrou a rede de vidro muito rapidamente, permitindo que ela endurecesse precocemente. No entanto, conforme o tempo passava, a história mudava. Na marca de quatro semanas, o lote com a proporção de sílica média emergiu como o vencedor claro, alcançando uma resistência à compressão de 39,6 MPa, o que era significativamente superior aos outros dois grupos. O lote com a maior proporção de sílica, que possuía mais blocos de construção disponíveis, acabou ficando no meio, enquanto aquele que começou forte declinou para a menor resistência do grupo. Essa mudança mostrou que, embora um ataque químico inicial forte ajude o material a definir-se rapidamente, a resistência a longo prazo depende de ter sílica dissolvida suficiente disponível para construir uma rede densa e interconectada ao longo do tempo.
Para entender por que isso aconteceu, os pesquisadores olharam para dentro do material usando ferramentas de imagem avançadas que podiam ver o arranjo dos átomos e a estrutura das ligações químicas. Eles descobriram que o processo não criava novos cristais; em vez disso, o vidro transformava-se em um sólido amorfo desordenado, muito parecido com o vidro original, mas com uma estrutura interna diferente. Ao analisar as ligações químicas, mediram a proporção de átomos de "oxigênio de ponte", que são as ligações que mantêm os átomos de silício unidos em uma rede tridimensional forte. Com uma semana, a mistura com a menor proporção de sílica apresentava o maior número dessas ligações, explicando sua resistência inicial. Mas, com quatro semanas, a mistura de proporção média havia desenvolvido o maior número de ligações de ponte, atingindo 63,25 por cento. Esse aumento no número de conexões correspondeu diretamente ao aumento da resistência. A mistura com a menor proporção de sílica esgotou seus blocos de construção cedo demais para formar mais ligações, enquanto a mistura com a maior proporção de sílica não dissolveu o vidro rápido o suficiente para usar todos esses blocos extras. Apenas a mistura média conseguiu manter o vidro se dissolvendo e as ligações se formando ao mesmo tempo, criando a estrutura mais forte possível.
Este estudo demonstra que o caminho para um material de construção mais forte e mais verde não é maximizar um único ingrediente, mas sim encontrar o equilíbrio preciso entre a velocidade da reação química e o suprimento de materiais de construção. Ao utilizar a cinza de casca de arroz para criar o ativador, os pesquisadores mostraram que é possível transformar dois tipos diferentes de resíduos em um substituto de cimento de alto desempenho. As descobertas sugerem que, para esta combinação específica de materiais, uma quantidade moderada de sílica no ativador proporciona o melhor ambiente para o vidro se dissolver e se remontar em uma rede densa e durável. Esta abordagem oferece um roteiro prático para transformar as crescentes pilhas de vidro e resíduos agrícolas do mundo em um recurso valioso para a construção sustentável, provando que a receita química certa pode transformar o que antes era considerado lixo em um alicerce para o futuro.
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