Efflorescence formation in metakaolin-based geopolymers : formation, effects and mitigation

Os geopolímeros são um tipo de ligantes produzidos a partir de uma mistura entre um mineral aluminossilicato (conhecido como precursor) e uma solução altamente alcalina (ativador). Esse tipo de cimento tem grandes vantagens relacionadas à sua reduzida emissão de CO2 associada durante sua produção, assim como seu elevado desempenho quando é dosado e produzido corretamente. Apesar do atual desenvolvimento e interesse comercial nestes cimentos alternativos, tem-se ainda muitos questionamentos sobre sua de durabilidade em uso. Um desses fatores está relacionado a formação excessiva de eflorescência, decorrente do processo de lixiviação e carbonatação dos álcalis na superfície. Neste sentido, o objetivo desse trabalho é avaliar a susceptibilidade no desenvolvimento e/ou formação de eflorescências, seus efeitos mecânicos e microestruturais e meios de mitigar tal formação em geopolímeros produzidos com metacaulim como precursor. O metacaulim (MK) foi adotado como precursor por ser uma argila calcinada de elevada pureza (relação Si/Al ≈ 1 e baixo conteúdo de minerais contaminantes), elevada reatividade (alto conteúdo de fases amorfas) e homogeneidade comparada com outras adições minerais usados como precursores. Para isso, foram utilizados diferentes condições de ativação, tais como: tipo de íon alcalino (M+= Na+ ou K+), concentração de ativação expressa como percentual em peso de M2O (com valores entre 15 e 25%) e presença de silicato solúveis a partir da incorporação de silicato de sódio com diferentes módulos SiO2/M2O (MS entre 0 e 1,5). A susceptibilidade ao desenvolvimento de eflorescências foi avaliada e quantificada mediante análises físicas e químicas, alteração de aspecto visual e efeito nas propriedades microestruturais e mecânicas quando submetidos a diferentes condições de exposição. Também, a otimização dos critérios de dosagem, a utilização de reduzidos teores adições minerais, o uso de cimentos especiais e aditivos químicos foram avaliados como alternativa para redução de tal fenômeno. Os resultados demonstraram que a formação de eflorescência é dependente principalmente da estrutura porosa do geopolímero e da estabilidade dos álcalis na estrutura, os quais são determinados pelos teores de ativação. As amostras se mostraram susceptíveis aos efeitos associados a formação de eflorescência como carbonatação e lixiviação, o que causou uma redução no desempenho mecânico, decorrente da formação excessiva de cristais nos poros e superfície ou pelas mudanças microestruturais. Por fim, pode-se perceber que é possível reduzir e controlar a formação de eflorescência com a correta dosagem dos matérias e com o uso de outras adições minerais associadas ou aditivos.Geopolymers are a type of binder produced from a simple mixture of an aluminossilicate mineral (known as a solid precursor) and a highly alkaline (activator) solution. Despite the current development of these alternative cements, there are still many questions about its durability. This type of cement has great advantages related to its reduced associated CO2 emission during its production and its high performance when it is designed and produced correctly. Despite the current development and commercial interest in these alternative cements, there are still a knowledge lack about its durability in use. One of these factors is related to excessive formation of efflorescence, due to the leaching and carbonation of alkalis on the surface. In this sense, the aim of this study is to evaluate the susceptibility in the development and/or formation of efflorescence, its mechanical and microstructural effects and alternatives to mitigate this formation in geopolymers produced with metacaulim as precursor. In MK geopolymers there is a more detailed understanding of the microstructural characteristics (reaction products) and prediction of the properties of durability because of its high purity and homogeneity. In this sense, the geopolymers were produced from different activation conditions, such as: alkaline ion type (M+= Na+ or K+), activation concentration expressed as percentage by weight of M2O (with values between 10 and 20%) and presence of silicate soluble from sodium silicate with different SiO2/M2O module (MS between 0 and 1.5). The susceptibility to the development of efflorescence was evaluated and quantified by the visual observation and the effect of microstructural and mechanical properties of the materials subjected to aggressive conditions as efflorescence, air carbonation and leaching. The optimization of the design parameters, the use of reduced mineral additions and chemical additives were evaluated as an alternative to reduce this phenomenon. The results demonstrated that the formation of efflorescence is mainly dependent on the porous structure of the geopolymer and the stability of the alkalis in the structure, which are determined by the activation levels. The samples showed to be susceptible to the effects associated to the formation of efflorescence such as carbonation and leaching, which caused a reduction in the mechanical performance, due to the excessive formation of crystals in the pores and surface or by the microstructural changes. Finally, it is observed that it is possible to reduce and control the formation of efflorescence with the correct dosage of the materials and with the use of other associated mineral additives or additives