[en] A STUDY ON THE MIXTURE DESIGN AND MECHANICAL PERFORMANCE OF STRAIN-HARDENING GEOPOLYMER COMPOSITES (SHGC) UNDER EXTREME CONDITIONS

• Other Authors: FLAVIO DE ANDRADE SILVA
• Language: en
• Published: MAXWELL 2021
• Subjects: [pt] PVA; [pt] METACAULIM; [pt] PE; [pt] GEOPOLIMEROS; [pt] COMPOSITOS; [pt] FIBRAS; [en] PVA; [en] METAKAOLIN; [en] PE; [en] GEOPOLYMERS; [en] COMPOSITES; [en] FIBERS
• Online Access: https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=55641@1; https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=55641@2; http://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.55641

[pt] Geopolímeros possuem uma pluralidade química em seu design que permite a obtenção de propriedades variadas dependendo da demanda, tanto em termos de materiais cerâmicos de alta tecnologia quanto no desenvolvimento de soluções construtivas. São obtidos a partir da combinação de precursores alumino silicatos e soluções alcalinas, com diferentes processos de endurecimento, dependendo das condições de cura e equilíbrio químico. No estado endurecido, apresentam um comportamento frágil, sendo geralmente reforçados com fibras e agregados na melhoria do desempenho mecânico. Por serem materiais relativamente novos, é necessário avaliar com precisão sua capacidade em condições usuais e extremas para atender a diversas demandas específicas do mercado. Tais condições incluem solicitações estáticas e dinâmicas, bem como a exposição a altas temperaturas, que são os principais pontos de análise deste estudo. Para isso, diferentes precursores, como metacaulim e cinzas volantes, e soluções alcalinas, à base de sódio e potássio, foram estudados quanto à reologia e ganho de resistência de acordo com o processo de cura utilizado. Esses foram parâmetros fundamentais na seleção de matrizes capazes de incorporar 2 por cento em vol. de fibras curtas de PVA e PE sintéticas. Os compósitos do tipo strain-hardening (SHGC) foram então caracterizados através de ensaios mecânicos típicos, tais como compressão, flexão, tração, arrancamento, em carregamentos estáticos e dinâmicos, e sob exposições regulares e de alta temperatura (até 200 graus C), sendo analisados posteriormente por meio de procedimentos típicos analíticos e de imagem. No geral, a combinação de metacaulim de alta reatividade com soluções alcalinas a base de sódio apresentou melhores performances em SHGC, com e sem a incorporação de agregados, atingindo ganhos de resistência e múltipla fissuração quando reforçado com ambas as fibras curtas de PVA e PE, sendo a última responsável pela maior efetividade mecânica do compósito quando exposto a carregamento quase-estáticos em de impacto. Esse comportamento, no entanto, não se repetiu ao ser exposto a temperaturas elevadas, com maiores reduções na resistência residual devido ao ponto de fusão do PE (150 graus C), em comparação a um maior valor para PVA (240 graus C), sendo então este mais efetivo em aplicações extremas deste tipo. Quando comparado a comportamentos típicos de SHCC, SHGC demonstrou uma maior eficiência tanto mecânica quanto térmica, apresentando resultados inéditos em carregamentos de impacto, gerando assim uma enorme quantidade de aplicações potenciais. === [en] Geopolymers possess a chemical plurality in their design that allow the achievement of varied properties depending on demand, both in terms of high-tech ceramic materials and development of constructive solutions. They are obtained from the combination of aluminosilicate precursors and alkaline solutions, with different hardening processes, depending on the curing conditions and chemical balance. In the hardened state, they present a fragile behavior, being then usually reinforced with fibers and aggregates aiming to improve their mechanical performance. As they are relatively new materials, there is a need to accurately assess their capacity under usual and extreme conditions to meet several specific market demands. Such extreme conditions include static and dynamic loading, as well as exposure to high temperatures, which are the major points of analysis in this study. For this, different precursors, such as metakaolin and fly ash, and alkaline solutions, based on sodium and potassium, were studied regarding rheology in the fresh state, and evolution of strength gain according to the curing process used. These were fundamental parameters in the selection of matrices able to achieve an adequate balance between fluidity and viscosity to incorporate 2 percent by volume of synthetic PVA and PE short fibers. The strain-hardening geopolymer composites (SHGC) were then characterized through typical mechanical tests, such as compression, flexural, tensile, pull-out, in quasi-static and impact loadings, and under regular and high temperature exposures (up to 200 C degrees), being further analyzed through imaging and analytical procedures. In general, high reactivity metakaolin combined with Na-based alkaline solutions demonstrated a superior SHGC performance, with and without aggregate incorporation, reaching stress gains and multiple cracking formation when reinforced with both PVA and PE short fibers, the latter being responsible for greater mechanical efficiency when exposed to quasi-static and impact loading. This behavior, however, was not reiterated when exposed to high temperatures, with higher residual strength reductions due to the melting point of PE (at 150 C degrees), opposed to an increased performance of PVA (240 C degrees), being thus more effective at such extreme application. When compared to typical SHCC behavior, SHGC reached greater efficiency both mechanically and thermally, showing unprecedented results in impact loading, thus demonstrating varied application potential.