Desempenho de materiais cimentícios com óxido de grafeno reduzido frente ao ataque por sulfato de amônio : um estudo voltado para a indústria de fertilizantes

Abstract

Resumo: Dentre os fertilizantes utilizados pela indústria, o sulfato de amônio destaca-se por sua elevada agressividade ao entrar em contato com o concreto, sendo reconhecido como o mais agressivo entre os íons sulfato. Tendo isso em vista, esta pesquisa teve como objetivo avaliar o desempenho de compósitos cimentícios (concreto e pasta) com a incorporação de óxido de grafeno reduzido (rGO) nas proporções de 0,05%, 0,10% e 0,15% em relação à massa de cimento, expostos ao ataque acelerado de sulfato de amônio ((NH4)2SO4) e em solução saturada de hidróxido de cálcio (Ca(OH)2). Para as amostras de concreto, foram avaliadas duas geometrias (cilíndricas e prismáticas), por meio dos ensaios de variação dimensional linear, variação de massa, Stiffness Damage Test (SDT), resistência à compressão e à tração na flexão, variação da velocidade do pulso ultrassônico, resistividade elétrica, difração de raios X (DRX) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Quanto à pasta, foram utilizadas amostras cúbicas e empregadas análises mineralógicas qualitativas/semiquantitativas e quantitativas (Rietveld), bem como análises microestruturais (MEV) e termogravimétricas (TG/DTG). Os resultados indicaram que todas as amostras imersas em sulfato de amônio apresentaram degradação superficial da matriz; contudo, as amostras cilíndricas apresentaram menor variação em suas propriedades, dada a condição de contorno da pesquisa, em comparação às prismáticas. As propriedades mecânicas indicaram que a incorporação de rGO reduziu a resistência à compressão em solução de hidróxido de cálcio. Entretanto, quando expostas ao ataque acelerado, apesar de ter sido observada a redução da resistência à compressão média de 41,52%, aos 182 dias, não foi possível observar diferenças estatisticamente significativas ao longo do período de exposição. Em relação à resistividade elétrica (superficial e volumétrica), o rGO nas proporções de 0,05%, 0,10% e 0,15% promoveu reduções de 19%, 24% e 41% na resistividade elétrica superficial e de 10%, 21% e 30% na resistividade elétrica volumétrica em condições de cura, devido à sua propriedade condutiva. Porém, mesmo com a redução da resistividade elétrica em decorrência da sua incorporação, ao longo do tempo, sob o ataque acelerado por sulfato de amônio, os dados se igualaram ao final da exposição. Para as pastas de cimento, verificou-se, por meio de análises semiquantitativas, quantitativas (Rietveld) e termogravimétricas, que a incorporação de rGO às misturas em hidróxido de cálcio influenciou os produtos de hidratação ao longo do tempo, resultando, para proporções de 0,05% de rGO, uma maior quantidade de portlandita e, em proporções de 0,10% e 0,15% de rGO, em menores quantidades. Quando expostas à solução de sulfato de amônio, foi possível observar o aumento do produto expansivo gipsita, porém, em intensidades menores para maiores proporções de rGO na mistura. Os ensaios de DRX, Rietveld e termogravimétrico evidenciaram que o rGO, nas amostras de pasta de cimento, retardou a degradação pela solução de sulfato de amônio, mesmo quando utilizado em excesso. Portanto, a despeito dos efeitos adversos iniciais decorrentes da incorporação de rGO na mistura, os resultados sugerem que sua utilização foi capaz de retardar a degradação por sulfato de amônio na matriz cimentícia

Abstract: Among the fertilizers used by industry, ammonium sulfate stands out for its high aggressiveness when in contact with concrete, being recognized as the most aggressive among sulfate ions. In this context, this study aimed to evaluate the performance of cementitious composites (concrete and paste) incorporating reduced graphene oxide (rGO) at proportions of 0.05%, 0.10%, and 0.15% by mass of cement, exposed to accelerated ammonium sulfate ((NH4)2SO4) attack and in a saturared calcium hydroxide solution. For the concrete samples, two geometries (cylindrical and prismatic) were evaluated through linear dimensional variation, mass variation, Stiffness Damage Test (SDT), compressive strength, flexural tensile strength, ultrasonic pulse velocity, electrical resistivity, X-ray diffraction (XRD), and scanning electron microscopy (SEM). For the cement paste, cubic samples were used, and qualitative/semi-quantitative and quantitative (Rietveld) mineralogical analyses were performed, along with microstructural (SEM) and thermogravimetric (TG/DTG) analyses. The results indicated that all samples immersed in ammonium sulfate exhibited matrix surface degradation; however, cylindrical samples showed smaller variations in their properties, given the study's boundary conditions, compared to prismatic samples. Mechanical properties indicated that incorporating rGO reduced compressive strength in cured conditions. Nevertheless, when exposed to accelerated attack, although an average reduction of 41.52% in compressive strength was observed at 182 days, no statistically significant differences were detected throughout the exposure period. Regarding electrical resistivity (surface and volumetric), rGO at proportions of 0.05%, 0.10%, and 0.15% led to reductions of 19%, 24%, and 41% in surface resistivity and 10%, 21%, and 30% in volumetric resistivity in cure conditions, respectively, due to its conductive properties. However, despite the reduction in electrical resistivity resulting from its incorporation, the values tended to converge at the end of exposure to the aggressive ammonium sulfate solution. For the cement pastes, semi-quantitative, quantitative (Rietveld), and thermogravimetric analyses showed that incorporating rGO into mixtures cured in calcium hydroxide influenced hydration products over time, resulting in a higher amount of portlandite for 0.05% rGO and lower amounts for 0.10% and 0.15% rGO. When exposed to ammonium sulfate solution, an increase in the expansive product gypsum was observed; however, the increase was lower as the rGO content increased. XRD, Rietveld, and thermogravimetric analyses demonstrated that rGO in cement paste samples delayed degradation induced by ammonium sulfate solution, even at higher dosages. Therefore, despite the initial adverse effects associated with rGO incorporation, the results suggest that its use delayed ammonium sulfate-induced degradation in the cementitious matrix