Cimentos de fosfato de magnésio: consolidação e caracterização

A reação entre o óxido de magnésio (MgO) e o fosfato de monoamónio (MAP), à temperatura ambiente, origina os cimentos de fosfato de magnésio, materiais caracterizados pela sua presa rápida e pelas excelentes propriedades mecânicas adquiridas precocemente. As propriedades finais são dependentes, essencialmente, da composição do cimento (razão molar magnésia:fosfato e utilização de retardantes de presa) mas também são influenciadas pela reatividade da magnésia utilizada. Neste trabalho, a reação foi caracterizada através do estudo da influência da razão molar MgO:MAP (variando de 1:1 até 8:1), da presença e teor de aditivos retardantes (ácido bórico, ácido cítrico e tripolifosfato de sódio) e da variação da área superficial específica da magnésia (conseguida por calcinação do óxido), no tempo de presa, na temperatura máxima atingida e nas fases cristalinas finais formadas. A reação de presa pode ser comparada à hidratação do cimento Portland, com a existência de 4 estágios (reação inicial, indução, aceleração e desaceleração), com a diferença que estes estágios ocorrem a velocidade muito mais alta nos cimentos de fosfato de magnésio. Este estudo foi realizado utilizando a espetroscopia de impedâncias, acompanhada pela monitorização da evolução de temperatura ao longo do tempo de reação e, por paragem de reação, identificando as fases cristalinas formadas. A investigação do mecanismo de reação foi complementada com a observação da microestrutura dos cimentos formados e permitiu concluir que a origem da magnésia usada não afeta a reação nem as propriedades do cimento final. A metodologia de superfície de resposta foi utilizada para o estudo e otimização das características finais do produto, tendo-se mostrado um método muito eficaz. Para o estudo da variação da área superficial específica da magnésia com as condições de calcinação (temperatura e tempo de patamar) usou-se o planeamento fatorial de experiências tendo sido obtido um modelo matemático que relaciona a resposta da área superficial específica da magnésia com as condições de calcinação. As propriedades finais dos cimentos (resistência mecânica à compressão e absorção de água) foram estudadas utilizando o planeamento simplex de experiências, que permitiu encontrar modelos que relacionam a propriedade em estudo com os valores das variáveis (razão molar MgO:MAP, área superficial específica da magnésia e quantidade de ácido bórico). Estes modelos podem ser usados para formular composições e produzir cimentos com propriedades finais específicas.

The reaction between magnesium oxide (MgO) and mono-ammonium phosphate (MAP), at room temperature, produces magnesium phosphate cements, which are characterized by rapid setting and excellent early mechanical properties. The final properties depend, essentially, on the cement composition (magnesia:phosphate molar ratio and use of set retardants) but are also affected by the reactivity of the used magnesia. In this work, the reaction was characterized by studying the effect of the MgO:MAP molar ratio (varied between 1:1 and 8:1), the presence and content of retarding additives (boric acid, citric acid and sodium tripoliphosphate) and the changes in the magnesia specific surface area (carried out by calcination of the oxide), on the setting time, maximum temperature reached and developed crystalline phases. The setting reaction can be compared to the hydration of Portland cement, with four stages (initial reaction, induction period, acceleration and deceleration), but these stages are much faster in magnesium phosphate cements. This study was carried out by impedance spectroscopy, while monitoring the temperature changes during the reaction and, by arresting the reaction, the crystalline phases formed. The investigation of the reaction mechanism was complemented with the observation of the hardened cements microstructure and led to the conclusion that the origin of the magnesia used does not affect the reaction nor the final cement properties. The response surface methodology was used to study and optimize the final product characteristics, and found to be a very efficient method. To study the changes of the magnesia specific surface area with the calcination conditions (temperature and soaking time), a factorial design of experiments was used, which enabled the calculation of a mathematical model relating the magnesia specific surface area with the calcination parameters. The cement final properties (compressive strength and water absorption) were studied using a simplex design of experiments, which enabled the calculation of models relating the particular property with the values of the variables (MgO:MAP molar ratio, magnesia specific surface area and boric acid content). Such models can be used to formulate the composition most adequate to produce a cement with specified properties.

Doutoramento em Ciência e Engenharia de Materiais