CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO COM METACAULINITA
GUILHERME CHAGAS CORDEIRO
UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE FLUMINENSE – UENF
CAMPOS DOS GOYTACAZES – RJ
AGOSTO – 2001
CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO COM METACAULINITA
GUILHERME CHAGAS CORDEIRO
“Dissertação de Mestrado apresentada ao Centro de Ciência e Tecnologia, da Universidade
Estadual do Norte Fluminense, como parte das exigências para obtenção de título de Mestre
em Ciências de Engenharia.”
Orientador: Jean Marie Désir
CAMPOS DOS GOYTACAZES – RJ
AGOSTO – 2001
Ficha catalográfica feita na Biblioteca do CCT/UENF
Cordeiro, Guilherme Chagas.
Concreto de alto desempenho com metacaulinita. / Guilherme Chagas
Cordeiro. Campos dos Goytacazes, RJ, 2001.
xiii, 123 f., enc.: 30 cm.
Dissertação (mestrado) M. Sc. em Ciências de Engenharia. Universidade
Estadual do Norte Fluminense. Centro de Ciência e Tecnologia. Laboratório
de Engenharia Civil, 2001.
Bibliografia: f. 108-123.
1. Concreto de alto desempenho. 2. Metacaulinita. 3. Aditivo mineral
I. Título.
CDD – 624.1834
CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO COM METACAULINITA
GUILHERME CHAGAS CORDEIRO
“Dissertação de Mestrado apresentada ao Centro de Ciência e Tecnologia, da Universidade
Estadual do Norte Fluminense, como parte das exigências para obtenção de título de Mestre
em Ciências de Engenharia”.
Aprovada em 10 de Agosto de 2001.
Comissão Examinadora:
_________________________________________________
Prof. Romildo Tolêdo Dias Filho (D.Sc.) – UFRJ/COPPE
_________________________________________________
Prof. Fernando Saboya Albuquerque Júnior (D.Sc.) – UENF
_________________________________________________
Prof. Jonas Alexandre (D.Sc.) – UENF
_________________________________________________
Prof. Jean Marie Désir (D.Sc.) – UENF
Orientador
Esta dissertação é dedicada a
Antonio José de Almeida Cordeiro
AGRADECIMENTOS
Tenho muito a agradecer a todos que direta ou indiretamente
contribuíram para a realização deste trabalho. À Fenorte pelo indispensável apoio
financeiro concedido.
Ao professor, orientador e amigo Jean Marie pela confiança e apoio
sempre presentes e dedicação durante a elaboração desta dissertação.
Aos amigos de turma Fábio, Franco, Gustavo, Marcos, Niander e Pedro
Paulo. À querida amiga Ane, que sempre esteve presente e disposta a ajudar.
Aos professores, técnicos, funcionários e alunos do Laboratório de
Engenharia Civil da UENF que de alguma forma contribuíram para a
concretização desta pesquisa. Aos professores Thibeut (CCTA/UENF) e Helena
(IGEO/UFRJ), pelos ótimos cursos de estatística experimental e mineralogia das
argilas, respectivamente.
À funcionária da biblioteca da ABCP/SP, Rosemary Pinto, pelo apoio e
tratamento sempre gentil. Ao técnico Flávio Munhoz (ABCP/SP) pela importante
ajuda nos ensaios de análise em granulômetro a laser e de finura.
À professora Sílvia Regina Vieira, da ABCP/SP, pela demonstração de
interesse pelo trabalho e presteza com que esclareceu dúvidas, que muito
contribuíram para a elaboração deste trabalho.
À querida Roberta pela disponibilidade em ajudar, pelo carinho, apoio e
incentivo irrestritos; por sua leitura crítica e discussões que foram muito
importantes para a conclusão desta dissertação.
Aos amigos e familiares, em especial à minha mãe, minha avó, Sheila,
Everaldo e tio Paulo Roberto, pelo apoio e carinho durante toda a minha vida
acadêmica
i
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS
iv
LISTA DE TABELAS
viii
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
x
RESUMO
xii
ABSTRACT
xiii
1. INTRODUÇÃO
1
2. CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO
4
2.1. APLICAÇÃO
6
2.2. MATERIAIS CONSTITUINTES
7
2.2.1. Cimento Portland
7
2.2.2. Agregado Miúdo
13
2.2.3. Agregado Graúdo
15
2.2.4. Aditivos Químicos
19
2.2.4.1. Aditivos Superplastificantes
2.2.5. Água
20
25
2.3. DOSAGEM DE CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO
25
2.4. PROCESSANDO O CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO
28
2.4.1. Mistura
28
2.4.2. Transporte
28
ii
2.4.3. Lançamento
29
2.4.4. Adensamento
29
2.4.5. Cura
30
2.4.6. Controle de Qualidade
31
3. ADITIVOS MINERAIS
3.1. ARGILA CALCINADA
3.1.1. Metacaulinita
3.2. SÍLICA ATIVA
4. PROGRAMA EXPERIMENTAL
34
39
42
47
51
4.1. DEFINIÇÃO DA MATÉRIA -PRIMA
52
4.2. PRODUÇÃO DA METACAULINITA
54
4.3. CARACTERIZAÇÃO DA METACAULINITA
59
4.4. CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS EMPREGADOS
61
4.4.1. Cimento Portland
62
4.4.2. Agregados
63
4.4.3. Sílica Ativa
66
4.4.4. Aditivo Superplastificante
67
4.4.5. Água
68
4.5. ENSAIO DE COMPATIBILIDADE ENTRE CIMENTO
E SUPERPLASTIFICANTE
68
4.6. ENSAIO DE ÍNDICE DE ATIVIDADE POZOLÂNICA
70
4.7. ENSAIOS EM ARGAMASSA
73
4.8. ENSAIOS EM CONCRETO
75
4.8.1. Dosagem de concreto de alto desempenho
75
iii
4.8.2. Processamento do concreto
5. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS
77
80
5.1 COMPATIBILIDADE ENTRE O CIMENTO E O
SUPERPLASTIFICANTE
80
5.2. ÍNDICE DE ATIVIDADE POZOLÂNICA
83
5.3. ARGAMASSAS
87
5.4. CONCRETOS DE ALTO DESEMPENHO
89
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS
94
6.1. CONCLUSÕES
94
6.2. SUGESTÕES DE FUTURAS PESQUISAS
95
ANEXO A – Aditivos Minerais
97
ANEXO B – Dosagem do Concreto
103
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
108
iv
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1
Localização do Município de Campos dos Goytacazes.
Figura 2.1
Evolução da hidratação dos compostos do cimento Portland,
em estado puro (Neville, 1997).
10
Curvas de resistência à compressão de pastas puras obtidas
com os principais compostos do cimento Portland (Zampieri,
1989).
10
Evolução média da resistência à compressão dos distintos
tipos de cimento Portland.
12
Influência da lavagem dos agregados na resistência à
compressão do concreto (Almeida, 1994).
18
Eficiência da dosagem ótima de superplastificante variando
a relação água/cimento (Chan et al., 1996).
23
Efeito
do
momento
de
colocação
do
aditivo
superplastificante a base de naftaleno no abatimento do
concreto (Collepardi apud Dal Molin, 1995).
24
Exemplos de resultados do ensaio de miniabatimento (Aïtcin,
1998).
25
Figura 2.8
Fatores básicos para dosagem de concreto (Neville, 1997).
26
Figura 3.1
Efeito do teor de pozolana na taxa de calor de hidratação
(Massazza e Costa, 1979).
37
Controle da expansão álcali-agregado pelo uso de pozolana
no concreto (Mehta, 1981).
38
Resistência à compressão aos 28 dias de argamassas
contendo diferentes argilas calcinadas como adições ativas
(He et al., 1995 a). Os valores indicados sobre as barras
correspondem às temperaturas ótimas de queima, em graus
centígrados, para cada argilomineral.
41
Figura 2.2
Figura 2.3
Figura 2.4
Figura 2.5
Figura 2.6
Figura 2.7
Figura 3.2
Figura 3.3
2
v
Figura 3.4
Figura 3.5
Resistência à compressão de argamassas
metacaulim e sílica ativa (Curcio et al., 1998).
contendo
44
Evolução do hidróxido de cálcio com o tempo de hidratação
(Frías e Cabrera, 2000).
45
Evolução da expansão de prismas de concreto contendo
metacaulim (Ramlochan, 2000).
46
Resistência à compressão de concretos com metacaulinita
(Wild et al., 1996 a).
47
Representação esquemática de partículas de cimento
Portland numa pasta sem aditivos (a), com aditivo
superplastificante (b) e com aditivo superplastificante e sílica
ativa (c) – Amaral (1988); Aïtcin (1998).
48
Redução da porosidade do concreto com e sem substituição
de 10% de cimento Portland por sílica ativa, com o tempo
(Hassan et al., 2000).
49
Figura 3.10 Taxa de exsudação de concretos com e sem sílica ativa
(Bilodeau apud Dal Molin, 1995).
50
Figura 4.1
Jazidas argilosas das amostras 1 (a) e 2 (b).
52
Figura 4.2
Difratograma de raios-X da amostra 1.
53
Figura 4.3
Difratograma de raios-X da amostra 2.
53
Figura 4.4
Curvas granulométricas das amostras de solos argilosos.
54
Figura 4.5
Fluxograma de produção da metacaulinita (adaptado de
Andriolo, 1999).
55
Moinho de bolas utilizado no processo de moagem das
amostras.
55
Figura 4.7
Forno tipo Mufla utilizado para a queima das amostras.
56
Figura 4.8
Análise térmica e diferencial das argilas cauliníticas.
57
Figura 4.9
Análise térmica diferencial da metacaulinita queimada à
650oC.
57
Figura 4.10 Difratogramas de raios-X da amostra 2 nas temperaturas de
queima de 110oC, 450oC e 550oC.
58
Figura 4.11 Distribuição granulométrica da metacaulinita.
60
Figura 3.6
Figura 3.7
Figura 3.8
Figura 3.9
Figura 4.6
vi
Figura 4.12 Duas fotografias (a e b) da metacaulinita.
60
Figura 4.13 Representação esquemática dos locais de coleta dos
materiais naturais.
62
Figura 4.14 Coleta de amostras de granito para caracterização física e
mineralógica; aspecto da jazida.
64
Figura 4.15 Corpo-de-prova NX de granito antes (a) e após ruptura (b)
por compressão simples.
65
Figura 4.16 Difratograma de raios-X da sílica ativa.
67
Figura 4.17 Materiais empregados no ensaio de miniabatimento (a);
Espalhamento da pasta após o ensaio (b).
69
Figura 4.18 Medida da consistência de argamassa conforme NBR 7215
(1996). Amostra após socamento (a) e no fim do ensaio (b).
72
Figura 4.19 Moldagem de corpo-de-prova de argamassa (a), (b) e (c).
74
Figura 4.20 Corpos-de-prova
metacaulinita.
de
argamassa
contendo
10%
de
75
Figura 4.21 Ensaio de resistência à compressão. Capeamento de corpode-prova (a) e corpo-de-prova na prensa de ensaio (b).
78
Figura 4.22 Aspecto dos corpos-de-prova após o ensaio de resistência à
compressão. Amostra com 15% de metacaulinita rompida
aos 91 dias (a); amostra com 10% de sílica ativa rompida
aos 28 dias (b).
79
Figura 5.1
Resultados dos ensaios de compatibilidade.
81
Figura 5.2
Decantação do cimento Portland em água (provetas à
direita) e cimento Portland em água com superplastificante
(provetas à esquerda) após: 30 segundos da mistura (a);
após 1 minuto (b); após 5 minutos (c); e após 15 minutos (d).
82
Decantação do cimento Portland em água (proveta à direita)
e cimento Portland em água com superplastificante (proveta
à esquerda) após 24 horas (a); detalhe do volume das
partículas decantadas (b).
83
Índices de atividade pozolânica com cimento Portland dos
aditivos minerais produzidos a partir das amostras 1 e 2.
84
Índices de atividade pozolânica com cimento Portland da
metacaulinita (material que passa na peneira de malha 250
µm).
85
Figura 5.3
Figura 5.4
Figura 5.5
vii
Figura 5.6
Figura 5.7
Figura 5.8
Figura 5.9
Índices de atividade pozolânica com cimento Portland da
metacaulinita (material que passa na peneira de malha 75
µm).
86
Resistência à
metacaulinita.
88
Resistência à
desempenho.
compressão
compressão
de
de
argamassas
concretos
contendo
de
alto
90
Relação entre o teor de metacaulinita e a resistência média
à compressão para diferentes idades.
91
Figura 5.10 Corpo-de-prova contendo 10% de metacaulinita após ensaio
de resistência à compressão, aos 28 dias (a); Detalhe da
superfície de ruptura atravessando totalmente os agregados
(b).
92
Figura 5.11 Curvas tensão-deformação para
metacaulinita (15%) aos 120 dias.
93
o
concreto
com
Figura 5.12 Curvas tensão-deformação para o concreto com sílica ativa
(10%) aos 120 dias.
Figura A.1
Figura A.2
Figura A.3
Figura B.1
93
Resistência à compressão de argamassas com cinzas
volantes com vários diâmetros médios de partículas
(Massazza, 1993).
99
Evolução da resistência à compressão do concreto com
vários teores de escória de alo forno em massa do total de
material cimentício (Hogan e Meusel, 1981).
101
Desenvolvimento da resistência à compressão de concretos
com diferentes teores de cinza de casca de arroz em
substituição ao cimento (Zhang e Malhotra, 1996).
102
Porcentagem de vazios para as misturas de areia e brita,
conforme NBR 7810 (1983).
105
viii
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1
Compostos principais do cimento Portland (Neville, 1997).
Tabela 2.2
Classificação dos cimentos Portland comercializados no
Brasil, segundo a ABNT.
11
Limites granulométricos do agregado miúdo (NBR 7211,
1983).
13
Limites granulométricos do agregado graúdo (NBR 7211,
1983).
15
Classificação dos aditivos químicos segundo a NBR 11768
(EB-1763/1992).
19
Classificação dos aditivos minerais conforme a NBR 12653
(1992).
35
Dados gerais de barragens construídas no Brasil (Saad et
al., 1983 b).
42
Distribuição granulométrica da metacaulinita queimada a
650oC e peneirada na malha 75 µm.
60
Tabela 4.2
Dimensões características da metacaulinita.
60
Tabela 4.3
Análise química da matéria-prima e da metacaulinita.
61
Tabela 4.4
Características dos cimentos Portland CP II E 32 utilizados.
63
Tabela 4.5
Composição mineralógica do granito.
64
Tabela 4.6
Características físicas e mecânicas do agregado graúdo.
Tabela 4.7
Características físicas e granulométricas do agregado
miúdo.
Tabela 4.8
Características da sílica ativa.
Tabela 2.3
Tabela 2.4
Tabela 2.5
Tabela 3.1
Tabela 3.2
Tabela 4.1
9
65
66
67
ix
Tabela 4.9
Características do aditivo superplastificante.
68
Tabela 4.10 Dosagem de material para as pastas dos ensaios de
miniabatimento.
70
Tabela 4.11 Dosagem de material para argamassas.
72
Tabela 4.12 Dosagem de material para argamassas.
73
Tabela 4.13 Composição dos concretos.
77
Tabela 4.14 Ordem de colocação dos materiais na betoneira.
77
Tabela 5.1
Tabela 5.2
Resultados dos ensaios
superplastificante.
de
compatibilidade
cimento80
Valores médios de resistência à compressão e índice de
atividade pozolânica com cimento Portland.
84
Valores médios de resistência à compressão e índice de
atividade pozolânica com cimento Portland.
85
Resistência à compressão das argamassas com relação
água/aglomerante de 0,52.
87
Tabela 5.5
Resistência à compressão dos concretos.
89
Tabela B.1
Materiais constituintes do concreto de teste.
106
Tabela B.2
Proporcionamento dos materiais do concreto de referência.
107
Tabela B.3
Proporcionamento dos materiais dos concretos com aditivos
107
Tabela 5.3
Tabela 5.4
x
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
A
Coeficiente, usado na dosagem, que expressa a qualidade da brita
a/c
Relação água/cimento, em massa
ABCP
Associação Brasileira de Cimento Portland
ABNT
Associação Brasileira e Normas Técnicas
ACI
American Concrete Institute
ASTM
American Society for Testing and Materials
BT
Boletim técnico
CAD
Concreto de alto desempenho
CAR
Concreto de alta resistência
CCA
Cinza de casca de arroz
CH
Hidróxido de cálcio (Ca(OH)2)
CP
Cimento Portland
C-S-H
Silicato de cálcio hidratado
C3S
Silicato tricálcico
C2S
Silicato dicálcico
C3A
Aluminato tricálcico
C4AF
Ferroaluminato tetracálcico
Dmax
Diâmetro máximo
fcm3
Resistência média à compressão do concreto aos 3 dias de idade
fcm7
Resistência média à compressão do concreto aos 7 dias de idade
xi
fcm28
Resistência média à compressão do concreto aos 28 dias de idade
fcm91
Resistência média à compressão do concreto aos 91 dias de idade
fccm28
Resistência média à compressão do cimento aos 28 dias de idade
fcd28
Resistência desejada do concreto à compressão especificada aos
28 dias de idade
fck
Resistência característica do concreto à compressão especificada
no projeto estrutural
IPT
Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S.A.
ISRM
International Society for Rock Mechanics
JCPDS
Joint Committe on Powder Diffraction Standards
ma
Massa específica da areia
mb
Massa específica da brita
mm
Massa específica da mistura de agregados
mum
Massa unitária compactada da mistura de agregados
MT
Manual técnico
MTC
Metacaulinita
NBR
Norma Brasileira Registrada
NM
Norma Mercosul
PV
Percentual de vazios numa mistura de agregados
PA
Percentual de areia na mistura de agregados
PB
Percentual de brita na mistura de agregados
R2
Coeficiente de determinação da regressão linear
SA
Sílica ativa
SP
Aditivo superplastificante
STG
Sistema de Testes Geomecânicos
Tmtc
Teor de metacaulinita
xii
CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO COM METACAULINITA
Guilherme Chagas Cordeiro
RESUMO
A substituição parcial de cimento Portland por materiais pozolânicos
permite obter concretos e argamassas com propriedades diferenciadas,
superiores em alguns aspectos aos produtos sem adição. Vários são os materiais
utilizados para este fim, dentre os quais destacam-se a sílica ativa, a cinza
volante e as argilas calcinadas. Atualmente no Brasil a sílica ativa é muito
utilizada. Infelizmente, nem sempre este produto é acessível, quer seja pelo
preço, quer seja pela disponibilidade.
Neste trabalho procurou-se caracterizar uma pozolana produzida a
partir da ativação térmica de uma argila caulinítica extraída da planície aluvial do
Rio Paraíba do Sul, no Município de Campos dos Goytacazes/RJ. Após
processos de moagem, queima e peneiramento, a argila desenvolve propriedades
pozolânicas, associadas à formação da metacaulinita (material de elevada
desordem estrutural).
Um programa experimental foi implementado para a comparação entre
produtos com e sem adição mineral, constituído de duas etapas: caracterização e
produção da metacaulinita; e confecção e ensaios em corpos-de-prova de
concretos e argamassas.
A fim de validar o potencial da argila como matéria-prima para a
produção de metacaulinita foram investigadas as seguintes propriedades:
temperatura ótima de queima; índice de atividade pozolânica; compatibilidade
cimento-superplastificante;
e
resistência
à
compressão
de
concretos
e
argamassas. Os resultados estão condizentes com a literatura, revelando
incrementos de resistência em concretos e argamassas com metacaulinita.
Palavras-chave: concreto de alto desempenho, metacaulinita, aditivo mineral.
xiii
HIGH-PERFORMANCE CONCRETE CONTAINIG METAKAOLINITE
Guilherme Chagas Cordeiro
ABSTRACT
The partial replacement of Portland cement by pozzolanic materials
allows to obtain concrete and mortars with superiors properties, in some aspects
to the products without addition. There are many materials used to achieve this
goal, such as silica fume, fly ash and calcined clays. Nowadays, the silica fume
have being used a lot in Brazil. Unfortunately, due to price and availability this
product is not oftenly accessible.
In this work the pozzolan was characterized and produced of thermal
activation of an alluvial’s plain kaolinite clay from Paraíba do Sul River, in Campos
dos Goytacazes City. After grinding, firing and sieving processes, pozzolanic
properties are developed, due to metakaolinite formation, which is a material with
high structural disorder.
An experimental program was executed to promote a comparasion
between products with and without mineral addition, constituted for two stages:
metakaolinite production; and making of concretes and mortars samples.
In order to validate the clay’s potential as a raw material for the
metakaolinite production the following properties were investigated: ideal burning
temperature; pozzolanic activity’s index; cement-superplasticizer compatibility; and
concretes and mortars’ compressive strain. The increases in concretes and
mortars resistances with metakaolinite finding are according to literature.
Keywords:
high-performance
concrete,
metakaolinite,
mineral
admixture.
1
1. INTRODUÇÃO
Atualmente, poucos materiais têm uso tão difundido na engenharia
quanto o concreto de cimento Portland. Devido às suas excepcionais qualidades,
o concreto possibilitou ao homem moderno mudanças expressivas, tanto na
arquitetura quanto na engenharia, além de seu próprio modo de vida. Os
resultados são novos desafios à pesquisa do concreto, particularmente o que diz
respeito ao concreto de alto desempenho, um material com melhores índices de
resistência e durabilidade, alcançadas a partir de adições químicas e minerais.
O Município de Campos dos Goytacazes, que possui uma população
residente estimada de 371.252 habitantes, destaca-se na Região Norte do Estado
do Rio de Janeiro por sua extensão territorial, ocupando uma área de 4040,4 km2
(CIDE, 2000), conforme Figura 1.1. Cerca de 52% de todo o território municipal é
composto por espessos pacotes argilosos provenientes da migração do leito do
Rio Paraíba do Sul (Ramalho et al., 2001), explorados, em parte, como matériaprima para cerâmica vermelha. Diante deste contexto ambiental e da crescente
demanda de aditivos minerais para o concreto, iniciou-se um estudo para o
aproveitamento destes solos argilosos para a produção de uma pozolana, a
metacaulinita.
A metacaulinita é um aluminossilicato de estrutura desordenada,
resultante da ativação térmica de uma argila caulinítica finamente moída. Este
material, apesar de não possuir, por si só, propriedades aglomerantes e
hidráulicas, contém constituintes que a temperaturas ordinárias reagem, em
presença de água, com o hidróxido de cálcio originando novos compostos
hidratados com propriedades cimentícias e insolúveis em água.
2
Desta
forma,
o
objetivo
maior
da
pesquisa
concentra-se na
possibilidade de uso e aplicação dos solos argilosos do município para a
produção de um aditivo mineral para concretos e argamassas de alto
desempenho.
Espírito Santo
Município de
Campos dos
Goytacazes
Metros
Oceano
Atlântico
20.000
Rio
do Sul
Paraíba
Lagoa
de Cima
Campos dos
Goytacazes
Lagoa
Feia
Área: 4038 km 2
Localização: 41o30’ W
21o45’ S
RIO DE JANEIRO
Figura 1.1 – Localização do Município de Campos dos Goytacazes.
Destacam-se ainda os seguintes objetivos específicos:
•
Apresentar as características de materiais argilosos da região e propor alguns
critérios de utilização visando-se a viabilidade de obtenção de concretos com
resistência à compressão acima de 50 MPa, aos 28 dias;
3
•
Caracterizar física, química e mineralogicamente a metacaulinita, e verificar seu
desempenho em diversos teores de substituição parcial do cimento Portland em
concretos e argamassas;
•
Verificar a influência da temperatura de queima e teor de material fino, presente
na argila a ser calcinada, na atividade pozolânica da metacaulinita, determinando
a temperatura ótima de queima para este aditivo.
A presente dissertação está estruturada em sete Capítulos. O Capítulo 1
compreende a introdução do trabalho de pesquisa, onde é justificada sua
importância e seus objetivos. No Capítulo 2 é apresentada a revisão bibliográfica
referente ao concreto de alto desempenho, considerando aspectos de sua
aplicação, materiais constituintes e procedimentos de produção. Também são
discutidas, neste Capítulo, características de dosagem de concreto de alto
desempenho.
O Capítulo 3 apresenta a revisão bibliográfica sobre os principais aditivos
minerais utilizados em concretos e argamassas de alto desempenho, analisando
suas características e as conseqüências de suas utilizações. Este Capítulo, longe
de apresentar um caráter de manual científico, aborda de forma sucinta aspectos
intrínsecos destes materiais, o que, por vezes, se torna repetitivo, sendo,
entretanto, de extrema relevância para o tema em questão. Inúmeros exemplos
são citados de forma resumida ilustrando pesquisas sobre o tema.
Já no Capítulo 4, o programa experimental é descrito através do detalhamento
dos ensaios realizados e da caracterização dos materiais empregados.
No Capítulo 5 é apresentada a análise dos resultados obtidos no programa
experimental. Neste Capítulo relata-se a caracterização da metacaulinita utilizada
em concretos e argamassas.
O sexto e último Capítulo compreende as conclusões do trabalho assim como
algumas sugestões para futuros trabalhos neste amplo campo de pesquisa que
constitui o concreto de alto desempenho.
4
2. CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO
O concreto de alto desempenho é uma evolução dos concretos
produzidos ao longo dos anos. Um maior controle na seleção dos materiais e nas
etapas de dosagem, mistura, adensamento, transporte e cura, aliado ao uso
preciso de aditivos químicos e minerais, permite a produção concreto com
propriedades melhoradas.
O concreto de alta resistência, como era denominado nos anos 70,
hoje é definido não somente em função de sua resistência superior, mas
principalmente destaca-se uma menor permeabilidade, maior resistência ao
desgaste e abrasão, enfim, maior durabilidade. De acordo com Mehta (1996), a
busca por um concreto com maior durabilidade está presente em cerca de 75%
das obras em concreto de alta resistência.
O Americam Concrete Institute, através do Comitê 201 (1994), define a
durabilidade de um concreto como sua habilidade para resistir às ações
atmosféricas, ataques químicos, abrasão e outros processos de deteriorização.
As ações atmosféricas referem-se aos efeitos ambientais, tais como exposição a
ciclos de molhagem secagem e congelamento e descongelamento. Os processos
de deteriorização química incluem ataques de substâncias ácidas e reações de
expansão, tais como reações de sulfatos, reações álcali-agregados e corrosão de
armaduras de aço no concreto.
Deve-se enfatizar que, para adquirir baixos valores de permeabilidade,
é necessária uma mistura densa acarretando uma maior resistência. Ou seja,
estas duas características encontram-se intimamente ligadas. Neville (1997)
destaca que o concreto de alto desempenho não é somente um concreto com
5
altas resistências à compressão, mas que também possui alto módulo de
elasticidade, alta densidade, baixa permeabilidade e resistência aos ataques do
meio externo. Mehta e Aïtcin (1990) definem o concreto de alto desempenho
como um material que possui alta rigidez e estabilidade dimensional e,
principalmente, baixa permeabilidade.
O uso de diversas terminologias para designar o mesmo material, tais
como, concreto de alto desempenho (CAD), concreto de alta resistência (CAR),
ou até mesmo concreto de alta eficiência, tem suscitado a interpretações
controvertidas
quanto
ao
verdadeiro
potencial
do
material,
que
varia
geograficamente e ao longo do tempo. Segundo Gjorv (1992), na década de 50,
concretos com resistência à compressão de 35 MPa eram considerados
concretos de alta resistência nos Estados Unidos. Nas décadas de 60 e 70
concretos com 50 MPa e 70 MPa, respectivamente, estavam sendo utilizados
comercialmente. Atualmente, concretos com 90 MPa, 100 MPa e até 120 MPa
entraram no campo da construção de edifícios altos, plataformas de petróleo e
pontes, cujas resistências foram definidas com bases sólidas e garantidas com
técnicas rotineiras (Aïtcin e Neville, 1993).
O American Concrete Institute estabelece, no ACI 363 (1991), o valor
de 41 MPa (6000 psi), como limite inferior para concretos de alta resistência, pois
a prática de dimensionamento de estruturas está fundamentada em experimentos
realizados em concretos com resistência à compressão inferior a 41 MPa.
Ainda hoje, de um modo geral, a produção de concretos no município
de Campos dos Goytacazes baseia-se em projetos calculados para uma
resistência característica aos 28 dias inferior a 25 MPa. Sendo assim, é possível
classificar concretos com resistência à compressão superior a 40 MPa, como
concretos de alta resistência.
2.1. APLICAÇÃO
6
A alta resistência à compressão e o alto módulo de elasticidade já nas
idades iniciais, baixa segregação, ausência de exsudação são algumas das
características que justificam a crescente utilização do concreto de alto
desempenho. A partir de 1950 pesquisas e obras difundiram-se por todo o mundo,
com aplicações nos diversos tipos de estruturas. Inúmeros prédios, pontes,
pavimentos, elementos pré-fabricados, obras marítimas, dentre outros, têm sido
construídos com concreto de alto desempenho.
Um estudo realizado por Dal Molin e Wolf (1990) indica uma redução
de cerca de 12% do custo de um edifício de 15 andares, ao se empregar concreto
de alta resistência (fck = 60 MPa) no lugar de um concreto convencional (fck = 21
MPa). Foram considerados os consumos de concreto, armaduras e formas, além
de gastos com a mão de obra. Outros fatores como desformas mais rápidas,
ganho de área útil em virtude das menores seções das peças estruturais e
possibilidade de confecção de elementos mais leves e esbeltos, podem elevar
este valor de economia, justificando ainda mais seu emprego.
Outra vantagem é a grande durabilidade de estruturas feitas com
concreto de alto desempenho. A sua baixa permeabilidade contribui para o
controle de corrosão e carbonatação, além de proteger o concreto de ataques
químicos e biológicos.
Relatos de Almeida et al. (1995) ilustram o grande número e a
diversidade das obras em concreto de alto desempenho no Brasil. Vale ressaltar a
utilização do concreto de alto desempenho em obras de recuperação e reforço
estrutural, em função, principalmente, da boa aderência com o aço ou com outro
concreto já endurecido, além da alta fluidez que alcança sem segregação.
Canovas (1988) destaca o melhor acabamento superficial alcançado com o
concreto de alto desempenho como conseqüência de seu maior conteúdo de
finos.
De acordo com Aïtcin (1998), o concreto alcançou a resistência e
durabilidade da rocha natural, mas uma “rocha” que pode ser facilmente
7
modelada, reforçada com barras de aço, protendida ou pós-tendida com cabos ou
misturada com qualquer tipo de fibra.
2.2. MATERIAIS CONSTITUINTES
O concreto é um material composto e suas propriedades dependem da
proporção e propriedades de seus componentes, além da interação entre os
mesmos (Neville, 1997). A escolha e adequação dos materiais constituintes
compõem a primeira etapa na elaboração de um concreto de alto desempenho.
Segundo Mehta e Monteiro (1994) a tarefa de escolha dos materiais
não é fácil, tendo em vista que ocorrem grandes variações nas suas composições
e propriedades físicas e químicas.
O concreto de alto desempenho é obtido através de uma mistura de
cimento, agregados, aditivos minerais e químicos e água, com uma baixa relação
água/aglomerante. Aïtcin (1998) considera como baixos os valores menores que
0,40, baseado no fato de que é muito difícil, se não impossível, tornar trabalhável
um concreto feito com os cimentos Portland mais comumente encontrados no
mercado, sem a utilização de um aditivo superplastificante.
A seguir serão descritas as principais propriedades dos constituintes
normalmente utilizados no concreto de alto desempenho. Um estudo mais
detalhado das características e influência dos aditivos minerais no concreto de
alto desempenho encontra-se no Capítulo 3.
2.2.1. Cimento Portland
O cimento Portland é um material pulverulento, aglomerante hidráulico,
composto basicamente de silicatos de cálcio e aluminatos de cálcio que
misturados à água se hidratam e, depois de endurecidos, mesmo que sejam
submetidos novamente à ação da água não se decompõem mais.
8
Para a fabricação do cimento são empregados materiais calcáreos,
como rocha calcárea e gesso, e alumina e sílica, encontradas facilmente em
argilas e xistos. O processo de fabricação do cimento Portland consiste
essencialmente em moer a matéria-prima, misturá-la nas proporções adequadas
e queimar essa mistura em um forno rotativo até uma temperatura de cerca de
1450oC. Nessa temperatura, o material sofre uma fusão incipiente formando
pelotas, conhecidas com clínquer. O clínquer é resfriado e moído, em um moinho
de bolas ou de rolo, até um pó bem fino (geralmente menor que 75 µm), com
adição de um pouco de gesso, resultando o cimento Portland largamente usado
em todo mundo (Neville, 1997). A mistura e moagem das matérias-primas podem
ser feitas tanto em água quanto a seco, daí a denominação dos processos de via
úmida e de via seca. Alguns materiais, como areia, bauxita e minério de ferro, são
adicionados como corretivos, cuja função é suprir as matérias primas de
elementos que não se encontrem disponíveis nas matérias primas principais.
Durante a queima ocorrem inúmeras reações de estado sólido entre as
fases constituintes, reações envolvendo essas fases e a parte fundida do material
e, ainda, a ocorrência de transformações mineralógicas em função do
resfriamento, gerando os principais componentes do cimento (Tabela 2.1), que
quando hidratados fornecem as principais propriedades deste material (Zampieri,
1989). A última etapa de fabricação do cimento Portland constitui-se no
resfriamento imposto aos nódulos produzidos, sendo de grande importância para
a definição da reatividade e estabilidade das fases do clínquer.
Tabela 2.1 – Compostos principais do cimento Portland (Neville, 1997).
Nome do composto
Composição em óxidos
Abreviação
Silicato tricálcico
3CaO.SiO 2
C3S
Silicato dicálcico
2CaO.SiO 2
C2S
Aluminato tricálcico
3CaO.Al2O3
C3A
Ferroaluminato tetracálcico
4CaO.Al 2O3.Fe2O3
C4AF
Notação: CaO: C; SiO2: S; Al2O3: A; Fe2O3: F.
As reações químicas entre os silicatos e aluminatos relacionados na
Tabela 2.1 com a água são denominadas de reações de hidratação do cimento e
9
geram uma massa firme e resistente,. Essas reações de dissolução e formação
de novas fases ocorrem quase que instantaneamente, na medida em que se
adiciona água ao cimento Portland.
De acordo com Mehta e Monteiro (1994), o C3S apresenta rápida
hidratação, desprendendo uma quantidade média de calor, gera um gel de silicato
de cálcio hidratado (C-S-H) e cristais de hidróxido de cálcio Ca(OH)2 (C-H). Este
composto contribui para elevar a resistência inicial da pasta endurecida e
aumentar sua resistência final. Já o C2S, que desprende uma quantidade
pequena de calor durante sua lenta hidratação, também é responsável pelo
aumento de resistência nas idades avançadas e produz um volume menor de
Ca(OH)2, em comparação com o C3S. Responsável pelas primeiras reações de
hidratação, o C3A libera uma grande quantidade de calor para formar aluminatos
hidratados. O C4AF também se hidrata rapidamente (semelhante ao C3A) mas
exerce pouca influência sobre a resistência mecânica da pasta. Ressalta-se que
um dos primeiros avanços no sentido de melhor compreender o processo de
hidratação do cimento Portland foi, inegavelmente, a análise em separado do
comportamento exibido pelas diversas fases do clínquer em pastas hidratadas. A
Figura 2.1, por exemplo, apresenta as velocidades de hidratação dos diferentes
compostos em estado puro.
1,0
C4AF
C3A
Fração hidratada
0,8
0,6
C3S
C2S
0,4
0,2
0,0
1
10
100
1000
Tempo (dias)
Figura 2.1 – Evolução da hidratação dos compostos do cimento Portland, em estado
puro (Neville, 1997).
10
Na Figura 2.2, por outro lado, reproduz-se as curvas de resistência à
compressão apresentadas por pastas contendo os componentes isolados que
compõem o clínquer. A análise em conjunto das Figuras 2.1 e 2.2 permite
observar as diferentes contribuições das fases que formam o clínquer para as
resistências mecânicas do produto hidratado.
Resistência à compressão (MPa)
70
60
C3S
50
C2S
40
30
20
C4AF
C3A
10
0
0
100
200
300
Tempo (dias)
Figura 2.2 – Curvas de resistência à compressão de pastas puras obtidas com os
principais compostos do cimento Portland (Zampieri, 1989).
A princípio o cimento Portland pode ser constituído unicamente de
clínquer e de uma substância reguladora de pega, caracterizando o que se
convencionou denominar “cimento Portland comum”. Entretanto, ao longo do
tempo, outros materiais começaram a ser utilizados em conjunto com o clínquer,
constituindo os “cimentos com adições”. Desta forma, a ABNT define o cimento
Portland em tipos e classes de acordo com os seus componentes e propriedades.
A classe do cimento caracteriza sua resistência mínima potencial aos 28 dias,
sendo dividida em três níveis: 25 MPa, 32 MPa e 40 MPa. A Tabela 2.2 apresenta
a classificação dos principais tipos de cimentos comercializados no Brasil.
11
Tabela 2.2 – Classificação dos cimentos Portland comercializados no Brasil, segundo a
ABNT.
Composição (percentual em massa)
Tipo de
cimento
Comum
Composto
Alto-forno
Pozolânico
Alta res.
Inicial
Branco
estrutural
Sigla
Clínquer
+
gesso
CP I
CP I – S
CP II – E
CP II – Z
CPII – F
CP III
CP IV
100
95 – 99
56 – 94
76 – 94
90 – 94
25 – 95
45 – 85
CP V – ARI
CPB
Escória
granulada de
alto-forno
Material
pozolânico
Material
carbonático
6 – 34
–
–
35 – 70
–
–
1–5
–
6 – 14
–
–
15 – 50
0 – 10
0 – 10
6 – 10
0–5
0–5
95 – 100
–
–
0–5
75 – 100*
–
–
0 – 25
* No cimento branco é utilizado um clínquer com baixos teores de óxidos de ferro e manganês.
Obs.: Se a sigla do cimento estiver acrescida do sufixo RS significa que o cimento Portland é
resistente aos sulfatos (por exemplo: CP III – 40 RS).
A Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP) através da BT106 (1999) mostra a evolução média da resistência à compressão dos diferentes
tipos de cimento Portland (Figura 2.3).
Resistência à compressão (MPa)
60
50
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
30
Idade (dias)
CP I-S
CP II
CP III
CP IV
CP V
Figura 2.3 – Evolução média da resistência à compressão dos distintos tipos de cimento
Portland.
Para aplicação em concreto de alto desempenho, Mehta e Aïtcin (1990)
comentam que é possível a produção com qualquer tipo de cimento, sendo
12
preferível, no entanto, o cimento Portland comum e aqueles com elevado teor de
C3S e C2S. De acordo com Neville (1997), os dois silicatos necessitam
praticamente da mesma quantidade de água para hidratação, mas o C3S produz
mais que o dobro da quantidade de hidróxido de cálcio, quando comparado com o
C2S. Isto proporciona uma menor durabilidade quanto ao ataque de águas ácidas
e/ou sulfatadas. O hidróxido de cálcio no concreto pode reagir com um agregado
ácido (calcedônia, por exemplo) dando origem a um silicato de cálcio hidratado.
Esta reação, contudo, causa um aumento de volume indesejável.
Na opinião de Howard e Leatham (1989), não há critérios científicos
fixos que especifiquem o cimento mais adequado para o concreto de alta
resistência. Parrot (1969) indica que só é necessária uma seleção criteriosa do
cimento, quanto ao tipo, para concretos com uma resistência acima de 90 MPa. O
melhor cimento para concreto de alto desempenho é, de acordo com o ACI 363
(1991), o que apresenta menor variabilidade em termos de resistência.
De acordo com Vieira et al. (1997) a escolha do tipo de cimento vai ser
função não só da disponibilidade de mercado mas, sobretudo, das propriedades
que o concreto a ser produzido deverá possuir. O autores enfatizam que, para
cada situação específica de projeto, todas as condições deverão ser avaliadas
detalhadamente, desde as especificações de projeto, condições de cura e
aplicação, cronograma de execução, e o que mais se fizer necessário para que o
cimento escolhido seja o mais adequado, contribuindo, desta forma, para o
aumento da vida útil da estrutura de concreto.
Enfim, para a escolha satisfatória do cimento Portland utilizado na
produção do concreto de alto desempenho, exige-se conhecimento técnico e
científico deste material.
2.2.2. Agregado Miúdo
A Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) classifica o
agregado miúdo em zonas (muito fina, fina, média e grossa), de acordo com sua
13
composição granulométrica. A Tabela 2.3 mostra a classificação, de acordo com a
NBR 7211 (1983).
Tabela 2.3 – Limites granulométricos do agregado miúdo (NBR 7211, 1983).
Porcentagem, em massa, retida acumulada na peneira ABNT
Zona 1
Zona 2
Zona 3
Zona 4
(muito fina)
(fina)
(média)
(grossa)
9,50
0
0
0
0
6,30
0a3
0a7
0a7
0a7
4,80
0 a 10
0 a 11
0 a 12
0 a 5♦
♦
♦
♦
2,40
0a5
0 a 15
0 a 25
5♦ a 40
♦
♦
♦
♦
1,20
0 a 10
0 a 25
10 a 45
30♦ a 70
0,60
0 a 20
21 a 40
41 a 65
66 a 85
0,30
50 a 85♦
60♦ a 88♦
70♦ a 92♦
80♦ a 95
0,15
90* a 100
90* a 100
90* a 100
85♦ a 100
♦
Pode haver tolerância de, no máximo, 5 pontos percentuais em um só dos limites
marcados com o símbolo “♦ ” ou distribuídos em vários deles;
* Para agregado miúdo resultante de britamento este limite poderá ser de 80.
Abertura da
peneira (mm)
Um dos principais requisitos para a escolha do agregado miúdo baseiase na demanda de água de mistura. Segundo o ACI 363 (1991), um agregado
miúdo de partículas arredondadas e textura lisa requer menor quantidade de água
e, por esta razão, é indicado para o concreto de alto desempenho. Como este
concreto apresenta um alto teor de material fino (dosagem alta de cimento e uso
de aditivos minerais), recomenda-se agregado miúdo de forma angular, módulo
de finura acima de 3,0 e diâmetro máximo de 4,8 mm (ACI 363, 1991; Canovas,
1988). Dal Molin (1995) comenta que a seleção do agregado miúdo está
condicionada ao consumo de água, fator essencial para garantir uma relação
água/aglomerante baixa.
Segundo Amaral Filho (1989), com areia natural quartzosa, bem
graduada e dentro das especificações, é possível a obtenção de concretos com
resistências de até 170 MPa.
Vieira et al. (1997) afirmam que os agregados miúdos exercem maior
influência na mistura que os agregados graúdos. Isto se deve ao fato de que a
superfície específica dos agregados finos é bem maior e, portanto, necessitam de
mais pasta para envolver seus grãos. Teores elevados de agregados miúdos
produzirão concretos mais plásticos. Por outro lado, a diminuição da quantidade
14
de agregado miúdo acarreta um decréscimo no teor de pasta necessário,
reduzindo o custo final do concreto.
É imprescindível após a escolha adequada do agregado miúdo, que
haja um rigoroso controle de qualidade, pois pequenas variações no teor de
umidade e/ou granulometria podem ocasionar mudanças significativas nas
propriedades do concreto fresco e endurecido. Neville (1997) sugere que o teor
de umidade seja verificado freqüentemente numa obra de concreto, pois seu valor
varia conforme o clima e posição de uma amostra no monte de agregado em
estoque.
Ainda segundo Neville (1997), quando não for possível a utilização de
agregados naturais*, deve-se atentar para a granulometria do material britado.
Neste caso, obtém-se mais material menor de 75 µm, que gera perda de
trabalhabilidade e um pequeno decréscimo na resistência à compressão do
concreto.
Enfim, deve-se procurar uma proporção ótima de agregados miúdos e
graúdos, de acordo com suas características de granulometria e forma, a fim de
que uma mistura mais compacta seja obtida, ao menor consumo de pasta
possível, e conseqüentemente, ao menor custo.
2.2.3. Agregado Graúdo
O termo agregado graúdo descreve partículas maiores que 4,8 mm,
responsáveis por cerca de 60% do volume do concreto. Desta forma, os efeitos
que este material pode gerar no concreto fresco e endurecido devem ser
estudados com atenção. A Tabela 2.4 apresenta os limites granulométricos
estabelecidos pela NBR 7211 (1983), com as respectivas graduações dos
agregados graúdos.
*
São consideradas areias naturais aquelas que foram reduzidas ao seu tamanho presente pela ação de
agentes naturais.
15
Tabela 2.4 – Limites granulométricos do agregado graúdo (NBR 7211, 1983).
o
N
0
1
2
3
4
Porcentagem retida acumulada, em massa, nas peneiras de abertura nominal (mm)
76
64
50
38
32
25
19
12,5
9,5
6,3
4,8
2,4
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
0
–
–
0-30
0
0-30
75-100
90-100
–
–
–
0
0
0-25
75-100 87-100
95-100
–
0
0-10
75-100
95-100
–
90-100
–
–
–
–
0-10
–
80-100 92-100
95-100
–
–
–
–
–
80-100
95-100
95-100
–
–
–
–
–
–
–
Em geral, estes agregados são procedentes de jazidas naturais, seja
na forma de pedregulhos, seixos ou pedra britada. Rochas ígneas, como granito e
basalto, metamórficas como gnaisse e leptinito e sedimentares, como arenitos e
calcáreos, são utilizadas em todo mundo. Também podem ser empregados em
concreto agregados de escória de alto-forno, de cinza volante e agregados
reciclados (rejeitos de construção e resíduos cerâmicos, por exemplo).
De acordo com Mehta e Monteiro (1994) e Danielsen (1997) as
características mais significativas dos agregados graúdos são:
•
Resistência à compressão;
•
Resistência à abrasão;
•
Módulo de elasticidade;
•
Massa específica e massa unitária;
•
Absorção;
•
Porosidade;
•
Composição granulométrica, módulo de finura e dimensão máxima;
•
Forma e textura superficial;
•
Substâncias deletérias.
A escolha do agregado graúdo é mais complexa que a do agregado
miúdo, pois suas propriedades físicas, químicas e mineralógicas afetam
consideravelmente a obtenção das propriedades de resistência e durabilidade no
concreto.
Estudos realizados por Helland (1988), com concretos de várias
classes de resistência, utilizando um agregado graúdo de boa qualidade (seixo
16
britado), verificaram que para resistências menores que 80 MPa o concreto se
comporta como um material composto. Isto porque as fissuras se desenvolvem na
pasta e na interface agregado-pasta. Para resistências entre 80 MPa e 100 MPa a
capacidade de carga do agregado e da pasta tem a mesma ordem de grandeza.
Desta forma, as fissuras penetram também nos agregados e o material tem um
comportamento homogêneo. Com valores de resistência acima de 100 MPa, o
concreto adquire novamente um comportamento típico de compósitos, sendo o
agregado o componente mais frágil.
Gonçalves et al. (1994), verificaram em um estudo realizado com
agregados rochosos da cidade do Rio de Janeiro, que o agregado graúdo pode vir
até mesmo a restringir as propriedades do concreto. Constataram, usando
gnaisse e granito, que a existência de concretos de resistências menores que as
da argamassa e a ocorrência exclusiva de fraturas intergranulares eram
indicativos de que os agregados graúdos foram os limitadores das resistências do
concreto.
Segundo Aïtcin e Neville (1993) os agregados graúdos menores são
geralmente mais resistentes que os agregados maiores. Isto se deve ao processo
de britagem, que ocorre preferencialmente em zonas potencialmente fracas na
rocha matriz. Assim, quanto menor o agregado utilizado, menor a incidência de
zonas fracas. Além disso, de acordo com Dal Molin (1995), quanto menor o
agregado, menor a superfície capaz de reter água durante a exsudação do
concreto fresco, o que propicia uma zona de transição de menor espessura e,
conseqüentemente, mais resistente.
Almeida (1994) comenta que a alta resistência do agregado é uma
condição necessária, mas não suficiente, para a produção de concreto de alto
desempenho. O autor destaca a fragilidade da interface agregado-pasta. Mesmo
com agregados de grande resistência à compressão, atinge-se um limite acima do
qual não é possível elevar a resistência do concreto com o fortalecimento da
pasta: o concreto rompe na ligação agregado-pasta.
17
Nos concretos de alto desempenho, comenta Nuñez (1992), há uma
transferência direta de tensões entre a pasta e o agregado graúdo a cargas
relativamente baixas. Assim, o módulo de elasticidade do concreto é fortemente
influenciado pelas propriedades elásticas do agregado graúdo.
A distribuição granulométrica de um agregado é um fator muito
importante pois altera a demanda de água de um concreto. O fator
água/aglomerante no concreto de alto desempenho deve ser o menor possível,
desta forma a quantidade de água deve ser minimizada, para um determinado
abatimento.
Segundo Neville (1997) um agregado inadequado quanto a sua forma
pode influenciar a trabalhabilidade da mistura e o acabameto superficial dos
elementos de concreto. O comitê ACI 363 (1991) demonstra que, embora
agregados com formas angulares possam produzir concretos com resistências
mecânicas superiores, efeitos opostos podem surgir na demanda de água e
trabalhabilidade se a angulosidade for muito acentuada.
Gomes et al. (1995) sugerem uma relação inversa entre a resistência à
compressão do concreto e a abrasão “Los Angeles” do agregado graúdo.
Segundo os autores, quanto menor for o percentual de abrasão obtido no ensaio,
maior será resistência alcançada pelo concreto. Tal fato evidencia a influência do
agregado graúdo na resistência do concreto.
Frazão e Paraguassu (1998) recomendam uma análise petrográfica do
agregado graúdo para identificação dos tipos de minerais, seus estados de
alteração, suas granulações e suas quantidades. Isto permite a identificação de
minerais que posam vir a comprometer a durabilidade do concreto.
Estudos realizados por Fonseca Silva et al. (1998), utilizando
agregados de granito, calcáreo e seixos rolados, indicam um aumento de 5% a
10% na resistência à compressão de concretos em virtude da lavagem dos
agregados antes da confecção do concreto. Resultados semelhantes foram
obtidos por Almeida (1994), conforme ilustra a Figura 2.4.
18
Resistência à compressão
(MPa)
120
100
80
60
materiais
in natura
brita
lavada
brita e areia
lavadas
40
Condição de limpeza dos agregados
concreto 1
concreto 2
concreto 3
Figura 2.4 – Influência da lavagem dos agregados na resistência à compressão do
concreto (Almeida, 1994).
2.2.4. Aditivos Químicos
A NBR 11768 (EB-1763/1992) define os aditivos como sendo produtos
que adicionados ao concreto de cimento Portland em pequenas quantidades
modificam algumas de suas propriedades, no sentido de melhor adequá-las a
determinadas condições. De acordo com Neville (1997), o motivo do grande uso
de aditivos químicos é a capacidade de proporcionar ao concreto consideráveis
melhorias físicas e econômicas. Essas melhorias incluem o uso do concreto em
condições nas quais seria difícil ou até mesmo impossível utilizá-lo sem aditivos.
O Comitê ACI 212 (1992) lista algumas finalidades importantes para as
quais os aditivos químicos são empregados:
•
Aumentar a plasticidade do concreto mantendo constante o teor de
água;
•
Reduzir a exsudação e a segregação;
•
Retardar ou acelerar o tempo de pega do concreto;
19
•
Acelerar a velocidade de desenvolvimento da resistência mecânica
das primeiras idades;
•
Retardar a taxa de evolução de calor durante a hidratação do
cimento;
•
•
Aumentar a resistência a ciclos de congelamento e descongelamento;
Aumentar a durabilidade do concreto em condições extremas de
exposição.
Os aditivos são classificados em virtude das alterações que causam
nas propriedades do concreto fresco e/ou endurecido. Segundo Mehta (1996), os
aditivos
variam
amplamente
quanto
à
composição
química
e
muitos
desempenham mais de uma função; conseqüentemente, é difícil classificá-los de
acordo com as suas funções. A Tabela 2.5 apresenta a classificação de aditivos
químicos empregada no Brasil, segundo a NBR 11768 (EB-1763/1992).
Tabela 2.5 – Classificação dos aditivos químicos segundo a NBR 11768 (EB-1763/1992).
Tipo
P
R
PR
SP
SPR
Classificação
Plastificante
Retardador
Plastificante retardador
Superplastificante
Superplastificante retardador
Tipo
A
PA
IAR
SPA
Classificação
Acelerador
Plastificante acelerador
Incorporador de ar
Superplastificante acelerador
Uma vez que a redução da relação água/aglomerante é primordial para
a obtenção do concreto de alto desempenho a utilização de aditivos redutores de
água
faz-se
imprescindível.
O
uso
de
aditivos
superplastificantes
é
preponderante, uma vez que aumenta a fluidez do concreto a níveis muito
elevados, sem alterar outras características, permitindo produzir, através da
redução da relação água/aglomerante, concretos com alta resistência e maior
durabilidade.
2.2.4.1. Aditivos Superplastificantes
Os superplastificantes, também chamados de redutores de água de
alta eficiência ou superfluidificantes, consistem de tensoativos aniônicos de
20
cadeia longa e massa molecular elevada (20000 a 30000). Quando adsorvido
pelas partículas de cimento, o tensoativo confere uma forte carga negativa, a qual
auxilia a reduzir consideravelmente a tensão superficial da água circundante e
aumentar acentuadamente a fluidez do sistema (Mehta e Monteiro, 1994)
Os superplastificantes podem ser agrupados em quatro grandes
categorias, de acordo com sua composição química (Ramachandran, 1984;
Bucher, 1988; Aïtcin et al., 1994 a):
•
Condensados sulfonados de melamina-formaldeído;
•
Condensados sulfonados de formaldeído-naftaleno;
•
Condensados de lignossulfonatos modificados;
•
Outros, como ésteres de ácido sulfônico e ésteres de carboidratos.
Atualmente as duas primeiras categorias mencionadas são mais
largamente utilizadas, pois apresentam maior eficiência como redutores de água e
menor incidência de efeitos secundários (Aïtcin, 1998; Sponholz, 1998).
O principal efeito das cadeias longas do superplastificante, segundo
Neville (1997), é o de ficarem adsorvidas nas partículas de cimento, conferindolhes uma carga altamente negativa de modo que elas passam a se repelir. Isso
provoca defloculação e dispersão das partículas de cimento. A melhoria resultante
da ação do superplastificante pode ser aproveitada de dois modos distintos.
Permite para a mesma relação água/aglomerante e o mesmo teor de água na
mistura um aumento considerável da trabalhabilidade do concreto, mantendo a
mistura coesiva. Outra forma, seria para obter concretos com trabalhabilidade
normal, mas com uma resistência extremamente alta, devido a uma substancial
redução da relação água/aglomerante.
A defloculação se deve à redução das forças de atração entre
partículas com cargas opostas. Já a dispersão ocorre pela introdução da força
repulsiva entre partículas, devido à alta carga negativa conferida às partículas de
cimento pela adsorção do aditivo. Quanto maior a adsorção melhor será a
21
dispersão das partículas de cimento e mais homogênea será a microestrutura da
pasta.
De acordo com Huynh (apud Jiang et al., 1998) a reologia do concreto
de alto desempenho pode ser afetada por parâmetros relativos ao cimento, ao
superplastificante e a interação entre eles, dentre os quais os mais significativos
são:
•
Composição química do cimento, especialmente a quantidade de C3A
•
Finura do cimento Portland;
•
Quantidade e tipo de sulfato de cálcio no cimento;
•
Natureza química e massa molecular do superplastificante;
•
Grau de sulfonatação do superplastificante;
•
Dosagem e método de adição à mistura do superplastificante.
e álcalis;
Os aditivos superplastificantes interagem com o C3A, que é o primeiro
componente do cimento a hidratar-se, e sua reação é controlada pelo sulfato de
cálcio, produto adicionado ao clínquer para controlar o tempo de pega do cimento.
Uma certa quantidade de aditivo é necessária durante a mistura para obter a
trabalhabilidade desejada, no entanto, é imprescindível que o superplastificante
não seja totalmente fixado pelo C3A. Se a fixação ocorrer é porque íons sulfatos
não foram liberados a tempo de reagirem com o C3A (Tagni-Hamou e Aïtcin,
1993). Quando os íons sulfatos são liberados vagarosamente, o cimento e o
aditivo superplastificante são ditos incompatíveis.
O problema da incompatibilidade entre cimento e superplasticante pode
também existir no concreto convencional, mas é muito mais acentuado no
concreto de alto desempenho (Sponholz, 1998). Isto é devido a menor quantidade
de água disponível para receber os íons sulfatos no concreto de alto desempenho
e a alta dosagem de cimento, proporcionando mais C 3A à mistura.
A quantidade de superplastificante necessária para obtenção de uma
pasta com fluidez definida aumenta com a área específica do cimento Portland.
22
Quanto mais fino o cimento, mais superplastificante é requerido para obter dada
trabalhabilidade.
As moléculas do superplastificante podem ser adsorvidas no C3S.
Aïtcin et al. (1987) observaram que, com um aumento na dosagem de
superplastificante, o desenvolvimento do calor de hidratação é retardado. Este
fenômeno de adsorção foi demonstrado pela observação direta de um
superplastificante marcado com enxofre através de estudos conduzidos por
Onofrei e Gray apud Aïtcin (1998).
De acordo com Neville (1997), um cimento ideal para concreto de alto
desempenho, do ponto de vista reológico, não deve ser muito fino (superfície
específica menor que 400 m2/kg) e deve apresentar um teor muito baixo de C3A,
cuja atividade é facilmente controlada pelos íons sulfato provenientes da
dissolução dos sulfatos do cimento Portland.
Um estudo realizado por Chan et al. (1996) mostra a variação no
comportamento de quatro superplastificantes em concretos com abatimento entre
150 e 200 mm em função da redução da relação água/cimento. De acordo com a
Figura 2.5, pode-se concluir que, para os aditivos testados, os superplastificantes
à base de melamina e naftaleno são mais eficientes em baixos valores de relação
água/cimento. Geralmente, a consistência do concreto diminui com o aumento da
dosagem de superplastificante até um valor, além do qual, passa a ser pequeno o
efeito. Essa é a dosagem ótima (Neville, 1997).
23
Dosagem ótima
(% em massa de cimento)
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
Relação a/c
Naftaleno
Policarboxílico
Lignosulfato
Melamina
Figura 2.5 – Eficiência da dosagem ótima de superplastificante variando a relação
água/cimento (Chan et al., 1996).
Estudos
de
Kumar
e
Roy
(1986)
revelam
que
o
uso
de
superplastificante em pastas de cimento, sujeitas a diferentes métodos de cura,
levam a um decréscimo do volume total de poros e ao refinamento da estrutura de
poros das pastas hidratadas. A mesma conclusão é obtida por Khatib e Mangat
(1999). O refinamento dos poros, além da redução de seu volume, diminui a
permeabilidade e aumenta a resistência, permitindo a obtenção de concretos
muito mais duráveis. Vale ressaltar, que o processo denominado refinamento dos
poros é a transformação de um sistema contendo grandes vazios capilares em
um sistema composto de numerosos poros mais finos.
O superplastificante tem maior eficiência quando colocado na mistura
alguns minutos após a água de amassamento. A Figura 2.6 (Collepardi apud Dal
Molin, 1995) mostra o efeito de um aditivo a base de naftaleno no abatimento de
um concreto, onde se observa um aumento de cerca de 100% no abatimento
inicial quando a colocação do aditivo é retardada em 1 minuto.
24
a/c = 0,45
consumo de cimento = 350 kg/m3
dosagem de superplastificante = 0,4% de sólidos
por massa de cimento
250
Abatimento (mm)
200
150
100
50
0
Concreto testemunho (sem superplastificante)
Colocação retardada do aditivo (após 1 minuto do início da mistura)
Colocação imediata (com a água de amassamento)
Figura 2.6 – Efeito do momento de colocação do aditivo superplastificante a base de
naftaleno no abatimento do concreto (Collepardi apud Dal Molin, 1995).
O
comportamento
reológico
em
traços
com
baixa
relação
água/aglomerante não é definido pelas especificações do superplastificante e do
tipo de cimento Portland. Faz-se, portanto, necessário experimentá-los e verificar
como se comportam frente aos complexos fenômenos químicos envolvidos (Aïtcin
et al., 1994 a). Vários métodos são empregados para avaliar a compatibilidade
aditivo cimento e a dosagem ótima de superplastificante. Dentre os mais
utilizados estão: método de Kantro ou miniabatimento (Kantro, 1980; Bucher,
1988; Neville, 1997) e método do cone de Marsh (Neville, 1997; Aïtcin, 1998; de
Larrard, 1999). A Figura 2.7 (Aïtcin, 1988) mostra os resultados do ensaio de
miniabatimento para duas combinações de cimento-superplastificante, uma
compatível e outra incompatível.
25
a/c = 0,35
)
T = 2 0 oC
Área de espalhamento (cm
2
compatível
incompatível
Tempo (s)
Figura 2.7 – Exemplos de resultados do ensaio de miniabatimento (Aïtcin, 1998).
2.2.5. Água
A água introduzida no concreto como um de seus componentes tem
duas funções. Uma parte, denominada água de amassamento, contribui para
garantir uma trabalhabilidade adequada. A outra permite o desenvolvimento das
reações químicas no concreto, tanto de hidratação do cimento Portland, quanto
reações pozolânicas com os aditivos minerais e/ou constituintes do cimento
empregado. Segundo o ACI 363 (1991), os mesmos requisitos de qualidade
exigidos para água de concretos convencionais devem ser cumpridos no concreto
de alto desempenho. De acordo com Neville (1997), águas potáveis, ligeiramente
ácidas, não são prejudiciais ao concreto.
2.3. DOSAGEM DE CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO
A dosagem é através do qual são determinadas as proporções dos
materiais constituintes necessárias para a produção de um concreto que atenda a
determinadas propriedades pré-fixadas. Estas propriedades são, em geral,
resistência mecânica, durabilidade e trabalhabilidade.
26
Segundo Helene e Terzian (1992) a dosagem pode ser entendida como
o proporcionamento adequado dos materiais constituintes, com o atendimento
das seguintes condições principais:
•
Exigências de projeto;
•
Condições de exposição e operação;
•
Tipo de agregado disponível economicamente;
•
Técnicas de execução;
•
Custo.
Para Neville (1997) os fatores básicos a serem considerados na
dosagem do concreto estão representados na Figura 2.8. A seqüência de
decisões também é mostrada até se chegar à quantidade de cada material
constituinte por betonada. O autor comenta ainda que a trabalhabilidade pode ser
controlada por um teor adequado de superplastificante e o teor de água pode ser
fixado a partir da relação água/cimento para a obtenção de uma certa resistência.
Exigências
Método de
Dimensões da seção
de durabilidade
adensamento
ou espaçamento
Método de
Resistência
Trabalha-
Tamanho máximo
Forma e textura
controle
mínima
bilidade
do agregado
do agregado
Resistência
média
Natureza dos
Idade para a
materiais
cimentícios
resistência
especificada
Relação
água/cimento
Capacidade
da betoneira
Exigências
térmicas
Teor de
cimento
Granulometria do
agregado total
Proporções de cada
tamanho do agregado
Proporções
da mistura
Massa de cada
componente
por betonada
Figura 2.8 – Fatores básicos para dosagem de concreto (Neville, 1997).
27
Para Mehta e Monteiro (1994) o proporcionamento de materiais é mais
uma arte que uma ciência, tendo em vista a complexidade de fatores envolvidos,
os quais exigem um amplo conhecimento das propriedades do concreto.
Rougeron e Aïtcin (1994) compartilham desta opinião, porém destacam que os
princípios básicos para o proporcionamento do concreto devem ser bem
conhecidos, e a tecnologia atual oferece muitos meios para a sua obtenção.
Diversos métodos têm sido propostos e utilizados na dosagem e na
quantificação do concreto de alto desempenho, dentre os quais: de Larrard
(1990); Mehta e Aïtcin (1990); ACI 363 (1993); Rougeron e Aïtcin (1994); Domone
e Soutsos (1994); Day (1996); O’Reilly (1998); Bharatkumar et al. (2001). Aïtcin
(1998) comenta que a diversidade de trabalhos sobre dosagem resulta do fato do
concreto estar se tornando um material mais complexo do que uma simples
mistura de cimento, agregados e água, e é cada vez mais difícil predizer suas
propriedades teoricamente.
Carino
e
Clifton
(1991)
enfatizam
a
maior
complexidade
no
proporcionamento de materiais para o concreto de alto desempenho, quando
comparado com métodos tradicionais de dosagem de concretos convencionais
(20 MPa a 40 MPa). O uso de materiais pozolânicos em combinação com o
cimento Portland é freqüente. Os agregados devem ser cuidadosamente
selecionados para a obtenção de alta resistência e/ou alto módulo de elasticidade.
Aditivos químicos são necessários para garantir a trabalhabilidade do concreto e
elevar sua durabilidade.
O’Reilly (1998) comenta que um dos objetivos fundamentais de um
processo de dosagem é criar uma metodologia que leve em conta as condições
próprias de cada lugar e os recursos materiais disponíveis, para atingir
características pré-definidas, sem, obviamente, elaborar regras gerais de
aplicação do concreto.
28
2.4. PROCESSANDO O CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO
De acordo com o ACI 363 (1991) os meios normalmente utilizados para
a produção do concreto de alto desempenho são semelhantes aos utilizados nos
concretos usuais. Entretanto, a escolha e o controle dos materiais são mais
críticos para o concreto de alto desempenho, na medida em que a relação
água/aglomerante é baixa. Aïtcin (1998) comenta que a participação do concreto
de alto desempenho no mercado ainda é muito pequena, razão pela qual não se
justifica o uso de técnicas diferenciadas para a produção, o transporte e o seu
lançamento, exceto em aplicações especiais.
2.4.1. Mistura
O concreto de alto desempenho pode ser produzido tanto na obra
quanto em usinas concreteiras. Devem ser observados, no entanto: o tipo de
balança utilizada para cada material, a umidade dos agregados, as condições
climáticas do local de concretagem, o tipo de misturador e o tempo mistura (ACI
363, 1991).
De acordo com Aïtcin (1998), o tempo de mistura é usualmente maior
para o concreto de alto desempenho do que para concretos usuais. Devido a
diversidade dos materiais empregados na confecção de um concreto é difícil
formular regras específicas para a mistura. A introdução do superplastificante na
mistura deve ser também avaliada para obter a maior eficiência (vide item 2.2.4).
2.4.2. Transporte
O transporte do concreto deve ser efetuado o mais rápido possível a
fim de minimizar os efeitos de enrijecimento e perda de trabalhabilidade. O
método e equipamento utilizados devem levar em conta aspectos econômicos e
técnicos de forma a assegurar que o concreto não irá segregar-se. As condições
de uso, os materiais utilizados, o acesso a obra, a capacidade requerida, o tempo
29
de entrega e as condições climáticas, são alguns fatores que interferem na
escolha do método e equipamento adotado para o transporte.
O principal problema enfrentado durante o transporte do concreto de
alto desempenho é a perda de consistência ou fluidez com o tempo. Isto é
resolvido com dosagens repetidas de aditivos superplastificantes ou com o uso de
aditivo
retardador
de
pega.
A
utilização
de
dosagens
sucessivas
de
superplastificantes deve ser utilizada com cautela com relação a segregação do
concreto (Mehta e Monteiro, 1994). Testes de compatibilidade entre o aditivo
retardador e superplastificante devem ser efetuados para assegurar o máximo
tempo possível da trabalhabilidade requerida em projeto (Costenaro e Isa, 2000).
2.4.3. Lançamento
O lançamento do concreto de alto desempenho pode ser realizado
segundo os métodos tradicionalmente usados, como linhas de bombeamento,
guindastes, caçambas e correias transportadoras. O lançamento, em geral, é
mais simples quando comparado com concretos usuais, devido a maior
trabalhabilidade do concreto de alto desempenho, promovida pelo uso de
superplastificantes e aditivos minerais.
2.4.4. Adensamento
A finalidade do adensamento é alcançar a maior compacidade possível
da massa de concreto. O ACI 363 (1991) recomenda que a vibração mecânica
interna seja utilizada para concreto de alto desempenho. Usualmente o concreto
de alto desempenho apresenta um abatimento alto. Acredita-se então que não há
necessidade de vibração intensa. Porém devido à sua consistência viscosa e alta
coesão, grandes bolsas de ar e bolhas ficam aprisionadas e devem ser
eliminadas pelo adensamento (Aïtcin, 1998). Mehta (1996) destaca que a
vibração adequada faz com que o excesso de água na mistura seja levado para a
superfície onde é perdido por evaporação.
30
2.4.5. Cura
A cura, um dos procedimentos mais críticos na confecção de um
concreto, tem como função principal manter a umidade da mistura durante o
período de hidratação dos materiais cimentícios, além de minimizar a retração. A
cura em concreto de alto desempenho é altamente recomendada em função da
baixa relação água/aglomerante e alto teor de materiais cimentícios, sendo
essencial para garantir a durabilidade adequada de superfícies expostas,
desenvolvimento das resistências mecânicas e controle da fluência e retração.
Sabe-se que a falta de uma cura adequada pode influir na qualidade final do
concreto, independente dos cuidados com preparo, transporte, lançamento e
adensamento.
As adições minerais trazem como conseqüência o refinamento dos
poros da pasta de cimento e da zona de transição por meio de suas ações de
densificação e de atividade pozolânica (Mehta e Monteiro, 1994). Desta forma, o
concreto de alto desempenho pode alcançar uma estrutura porosa descontínua e
de baixa permeabilidade com poucos dias de hidratação, reduzindo o tempo de
cura quando comparado com o concreto convencional. Aïtcin (1998) considera 7
dias como um período suficientemente longo para reduzir drasticamente a
retração do concreto. Em todo caso, conclui o autor, a cura com água nunca deve
ser inferior a 3 dias.
Ramezanianpour e Malhotra (1995) estudaram o comportamento de
diferentes concretos com adições minerais (escória de alto-forno, cinza volante e
sílica ativa), com relação água/aglomerante de 0,50, em diferentes tipos de cura:
cura úmida após desmoldagem; cura a temperatura ambiente; cura a temperatura
ambiente após 2 dias de cura úmida; e cura a temperatura de 38oC com umidade
relativa do ar de 65%. Os concretos com cura úmida apresentaram, após 180
dias, melhores resultados de resistência à compressão, permeabilidade e
penetração de cloretos. Já os concretos que não receberam cura após
desmoldagem foram os que mostraram piores desempenhos nas propriedades
verificadas.
31
Vários autores (Aïtcin et al., 1994 b; Agostini e Nunes, 1996; Neville,
1997) afirmam que a cura do concreto de alto desempenho com imersão em água
produz melhores resultados do que o envolvimento com cobertores plásticos. Mas
o tipo de cura adotado depende de inúmeros fatores, como por exemplo, o
tamanho e tipo de elemento estrutural a ser curado.
2.4.6. Controle de Qualidade
O controle de qualidade é fundamental para assegurar o alto
desempenho do concreto na estrutura. A escolha criteriosa dos materiais e
procedimentos de execução já foi destacada nos itens anteriores. A NBR 16655
(1996) fixa as condições exigíveis para o preparo, controle e recebimento do
concreto.
A determinação da consistência do concreto pelo abatimento do troco
de cone (slump test) e a ruptura de amostras para obtenção da resistência à
compressão são os parâmetros mais utilizados no controle de um concreto.
O tamanho e forma dos corpos-de-prova influenciam na resistência
determinada. No Brasil são utilizados basicamente moldes metálicos cilíndricos
medindo150 mm de diâmetro por 300 mm de altura e de 100 mm x 200 mm.
Com o advento do concreto de alta resistência foi conveniente reduzir
as dimensões do tradicional cilindro de 150 mm x 300 mm, tendo em vista a sua
adequação às cargas máximas das prensas hidráulicas utilizadas normalmente.
Por exemplo, para romper um concreto de 50 MPa numa prensa de ensaio,
utilizando corpos-de-prova de 150 mm x 300 mm, é necessária uma força de 880
kN, aproximadamente.
O uso de corpos-de-prova cilíndricos de 100 mm x 200 mm, afirmam
Valois (1994) e Ferrari et al. (1996), facilita e agiliza o controle de resistência,
tornando o processo mais econômico, sem prejuízo nos resultados. Estudos de
Agnesini e Silva (1994) indicam a utilização de corpos-de-prova de 75 mm x 150
32
mm para concretos com diâmetro máximo do agregado de 9,50 mm
(microconcretos) e, para concretos com brita 1 (D max ≤ 19,0 mm), o emprego de
cilindros de 100 mm x 200 mm é recomendado.
Vários autores sugerem uma correlação entre os valores de resistência
obtidos para amostras de 100 mm x 200 mm e 150 mm x 300 mm. Moreno (1990)
encontrou valores de resistência 1% maiores para os corpos-de-prova de 100 mm
x 200 mm. Neville (1997) afirma que dimensões de 100 mm x 200 mm tendem a
apresentar valores de resistência e de desvio padrão um pouco maiores do que
os de 150 mm x 300 mm. No entanto este valor deve ser pequeno, provavelmente
na ordem de 3%. De acordo com um estudo realizado por Giammusso et al.
(2000), existe uma equivalência entre os resultados dos ensaios com corpos-deprova com dimensões 150 mm x 300 mm e 100 mm x 200 mm.
Quando é realizado o ensaio de compressão o prato da prensa entra
em contato com a superfície do topo do corpo-de-prova que, em virtude do
processo de moldagem, apresenta imperfeições e não é perfeitamente plana.
Nessas circunstâncias, surgem concentrações de tensões e a resistência é
diminuída (ACI 363, 1991, Neville, 1997). Para evitar este problema é essencial
que as superfícies sejam planas. O capeamento dos topos com argamassa de
enxofre ou de cimento, o esmerilhamento das faces e o uso de capeamentos não
aderentes, como placas de neoprene e caixa de areia, são os meios utilizados
para tal finalidade.
O capeamento com argamassa de enxofre (enxofre com cimento, areia
quartzosa moída ou argila calcinada), desde que sua espessura seja menor que
2,0 mm, pela facilidade de aplicação, baixo custo, boa aderência e elevada
resistência nas primeiras horas de idade, tem sido o método mais utilizado nos
ensaios de compressão axial (Bucher e Rodrigues, 1983). Neville (1997) afirma
que o capeamento com mistura de enxofre é satisfatório para concretos com
resistência de até 100 MPa. Segundo Bucher e Rodrigues (1983), não há
restrição para o uso do enxofre para níveis de resistência à compressão de até 60
MPa. O ACI 363 (1991) estabelece que com uma espessura de 1,5 mm a 3,0 mm,
o concreto com uma resistência menor que 69 MPa pode ser capeado com
33
argamassa de enxofre. Acima deste valor, o esmerilhamento é o processo
indicado.
34
3. ADITIVOS MINERAIS
Apesar das qualidades e do uso generalizado do cimento Portland,
várias pesquisas têm sido desenvolvidas com intuito de reduzir o consumo
energético de fabricação dos cimentos e à adequação do produto às diversas
solicitações do mercado.
Neste contexto, a incorporação de “adições ativas” ao cimento Portland
vem assumindo grande importância em todo mundo. Estes aditivos minerais são
materiais silicosos ou sílico-aluminosos que, isoladamente, possuem pouca ou
nenhuma propriedade aglomerante. Entretanto, quando finamente moídos e em
presença de água, reagem com o hidróxido de cálcio à temperatura ambiente,
para formar compostos com propriedades aglomerantes (Saad et al., 1983 a;
Malhotra e Mehta, 1996; NBR 12653, 1992).
Os aditivos minerais podem ter origem natural ou artificial. Os materiais
pozolânicos naturais mais comumente encontrados são: cinzas vulcânicas, terras
diatomáceas, pumicita, opalina, micas e calcedônias. Com exceção das terras
diatomáceas, formadas basicamente por esqueletos de diatomáceas, as demais
pozolanas têm origem de rochas vulcânicas.
Os aditivos minerais artificiais mais utilizados e estudados são: argilas
calcinadas, cinzas volantes, escórias de alto-forno, cinza de casca de arroz e a
sílica ativa. Estes materiais geralmente são subprodutos industriais ou agrícolas
exigindo, desta forma, pouco ou nenhum beneficiamento. A incorporação destes
rejeitos contribui para a preservação do meio ambiente através do seu
reaproveitamento.
35
A NBR 12653 (1992) classifica os aditivos em três grupos distintos
conforme apresentado na Tabela 3.1. Esta classificação está baseada
exclusivamente na sua origem, não abrangendo pozolanas altamente reativas
como a sílica ativa e a cinza de casca de arroz.
Tabela 3.1 – Classificação dos aditivos minerais conforme a NBR 12653 (1992).
Classe
N
C
E
Materiais que obedecem aos requisitos
Pozolanas naturais, materiais vulcânicos, terras
diatomáceas, argilas calcinadas.
Cinza volante proveniente da queima do carvão
betuminosos.
Cinza volante proveniente da queima do carvão
sub-betuminoso e qualquer material que difere
das classes anteriores.
Como já foi visto anteriormente durante as reações de hidratação do
C3S e C2S ocorre a liberação do hidróxido de cálcio em grande quantidade (em
torno de 20% dos compostos hidratados), segundo as seguintes equações:
2C3S + 6H* → C3S2H3 + 3Ca(OH)2
(3.1)
2C2S + 4H → C3S2H3 + Ca(OH)2
(3.2)
Assim, a sílica amorfa presente na pozolana reage com o hidróxido de
cálcio formando silicatos de cálcio hidratados (C-S-H). Essa reação é denominada
reação pozolânica e ocorre basicamente da seguinte forma:
pozolana + hidróxido de cálcio + água → C-S-H
(3.3)
Além da sílica amorfa, a alumina reativa presente em muitos aditivos,
produz compostos cimentantes (como o C4AH13) em presença de Ca(OH)2, água
e íons sulfato (Mehta e Monteiro, 1994).
Como o hidróxido de cálcio contribui muito pouco para a resistência da
pasta de cimento hidratada e é, dentre os produtos da hidratação, o primeiro a ser
36
solubilizado e lixiviado pela água, o seu consumo pela pozolana traz implicações
sobre a resistência e a durabilidade de concretos e argamassas. Da mesma
forma, o hidróxido de cálcio da pasta de cimento Portland é o composto mais
suscetível à carbonatação. No entanto, uma característica positiva do Ca(OH)2 no
concreto armado é que ele mantém um alto pH, o que melhora a estabilidade da
camada óxida que protege e passiva o aço da armadura (Aïtcin, 1998; Neville,
1997). Porém, para a passivação não é necessária toda a quantidade de Ca(OH)2
gerada durante a hidratação, avaliada em aproximadamente 25% da massa de
cimento anidro.
Basicamente, as vantagens obtidas pelo uso de aditivos minerais em
substituição ao cimento em argamassas e concretos são:
•
Aumento da resistência mecânica;
•
Diminuição do calor de hidratação;
•
Aumento da trabalhabilidade;
•
Aumento da resistência ao ataque ácido;
•
Aumento da durabilidade por inibição da reação álcali-agregado.
Alguns
aspectos
peculiares
da
reação
pozolânica
devem
ser
observados. A combinação do hidróxido de cálcio com a pozolana leva à
formação de compostos ligantes adicionais, de características similares às
daqueles decorrentes da hidratação direta dos grãos de clínquer, proporcionando
uma estrutura mais compacta e química e mecanicamente mais resistente do que
a exibida pelo cimento Portland sem adições (Zampieri, 1989). A reação
pozolânica é uma reação lenta, pois necessita da formação prévia do hidróxido de
cálcio e, desta forma, a taxa de liberação de calor e o desenvolvimento da
resistência são lentos. A Figura 3.1 mostra o efeito da substituição do cimento por
uma pozolana natural da Itália no calor de hidratação de um concreto (Massazza
e Costa, 1978). A redução do calor de hidratação evita o surgimento de fissuras
térmicas.
*
H é a forma abreviada de H 2O.
37
100
Calor de hidratação (cal/g)
90 dias
90
28 dias
80
70
7 dias
60
50
0
10
20
30
40
50
Adição de pozolana (%)
Figura 3.1 – Efeito do teor de pozolana na taxa de calor de hidratação (Massazza e
Costa, 1979).
Os efeitos benéficos da utilização de pozolanas em concretos não se
limitam à reação pozolânica. Existe também um efeito físico que advém da
capacidade das pequenas partículas deste material se posicionarem nos vazios
entre partículas de cimentos, quando elas estão bem defloculadas na presença de
superplastificante, e na interface agregado-pasta. Este efeito é conhecido como
efeito microfíler (Rosenberg e Gaidis, 1989).
A incorporação de materiais finamente divididos geralmente aumenta a
trabalhabilidade do concreto fresco, apontam Mehta e Monteiro (1994), por reduzir
o tamanho e o volume de vazios. Este refinamento dos poros, reduz a
permeabilidade do concreto e, aliado a redução de sua alcalinidade, contribui para
a durabilidade da estrutura, principalmente quando exposta a ataques químicos.
O controle da expansão álcali-agregado no concreto está ilustrado na
Figura 3.2, onde vários teores de pozolana foram adicionados ao concreto
(Mehta, 1981). Monteiro et al. (1997), utilizando diferentes aditivos minerais em
substituição parcial do cimento Portland, afirmam que altos níveis de substituição
por cinza volante reduzem significativamente a expansão, enquanto que, para
elevados teores de escória de alto-forno no concreto, a reação álcali-agregado é
praticamente inexistente.
38
0,7
Expansão (%)
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0
1
2
3
4
5
6
Tempo de cura (meses)
Pozolana - 0%
Pozolana - 10%
Pozolana - 20%
Pozolana - 30%
Figura 3.2 – Controle da expansão álcali-agregado pelo uso de pozolana no concreto
(Mehta, 1981).
Algumas normas, recomendações e especificações ditam parâmetros
físicos, químicos ou mecânicos com o intuito de assegurar que o material seja
qualificado como pozolânico. Diversos estudos (Isaia e Helene, 1994; Malhotra,
1996; Mehta apud Gava, 1999; Gava, 1999) apresentam severas críticas em
relação a essas exigências, pois são restritivas e inibidoras, devido a falta de
correlação entre as características fixadas e as propriedades desejadas para o
concreto. Para tais autores, os valores impostos para a soma dos óxidos (SiO2 +
Al2O3 + Fe2O3) não garantem que a pozolana irá desenvolver propriedades
cimentantes.
Por outro lado, há um consenso entre os pesquisadores sobre o fato do
desempenho dos aditivos minerais estar ligado a sua reatividade, isto é, ao teor
de material amorfo, e principalmente a finura. O aumento da quantidade de
partículas finas (aumento da superfície específica) desempenha um papel
preponderante mediante o efeito de nucleação das partículas de cimento,
propiciando maior quantidade de locais para hidratação dos compostos.
Segundo Calleja (1983), a pozolana, para desenvolver compostos com
atividades cimentantes, deverá ser moída até obter uma superfície específica
maior do que a do clínquer, considerando o resíduo na peneira de 45 µm como o
39
parâmetro mais importante a ser analisado durante a avaliação de uma pozolana.
A influência da finura da pozolana tem sido reportada em vários artigos
específicos; tal comportamento é todavia bastante previsível, uma vez que ao se
incrementar a finura tem-se consequentemente um aumento da área de reação
do material.
Para utilização em concreto de alto desempenho a uniformidade e a
compatibilidade com outros aditivos devem ser verificadas, para assegurar o
máximo desempenho. De acordo com Isaia e Helene (1993) há uma tendência
atual em conjugar os efeitos benéficos e específicos de diferentes aditivos
minerais para incrementar as propriedades do concreto e sua durabilidade. Ao
empregar a sílica ativa em conjunto com a cinza volante, por exemplo, aglutina-se
a alta reatividade da primeira com a melhoria que o segundo proporciona na
reologia do concreto fresco.
A seguir são discutidos, sucintamente, aspectos relativos à obtenção e
principais propriedades dos aditivos minerais empregados neste trabalho: argila
caulinítica calcinada e moído e sílica ativa. Alguns aspectos relativos à cinza
volante, escória de alto-forno e cinza de casca de arroz encontram-se descritos
no Anexo A.
3.1. ARGILA CALCINADA
Um solo argiloso* pode adquirir propriedades pozolânicas quando
submetido a um processo de ativação térmica adequado e finamente moído. A
utilização de argilas calcinadas como pozolanas ocorre há mais de vinte séculos e
é anterior ao uso do cimento Portland. As matérias-primas empregadas devem
conter um elevado percentual de argila em sua composição, uma vez que a
atividade pozolânica aumenta com o teor de argilominerais (Murat, 1883 a;
Zampieri, 1989; Souza Santos, 1992 a; He et al., 1995 a).
*
Argila é o material natural de granulação fina, constituída essencialmente por argilominerais. O termo argila
é usado ainda para designar a fração granulométrica de um sedimento inferior a 2 µm ou 5 µm.
40
Os
solos
argilosos
utilizáveis
como
matéria-prima podem ser
cauliníticos e montmoriloníticos (Souza Santos, 1966; Souza Santos, 1992 a;
Andriolo, 1999), muito embora, outros argilominerais utilizados, como ilita,
sepiolita e mica, apresentem resultados satisfatórios como adições ativas em
concretos e argamassas (Ambroise et al., 1985; He et al., 1995 a; He et al., 1995
b). De acordo com Lea apud Kihara e Shukuzawa (1982), a composição química
de argilas utilizadas para pozolanas geralmente apresentam valores de SiO2 entre
50% e 65% e Al2O3 entre 17% e 38%.
Em geral, as propriedades de concretos contendo pozolanas,
preparadas a partir de argilas, variam em função dos seguintes fatores:
•
Composição química e mineralógica do solo argiloso;
•
Temperatura de queima e tempo de exposição;
•
Processamento da pozolana (moagem e peneiramento).
A alta atividade pozolânica da argila calcinada é atribuída aos
compostos finamente moídos amorfos e de elevado grau de desordem,
produzidos pela desidroxilação dos argilominerais. Logo, a temperatura de
queima tem enorme influência sobre a reatividade da pozolana. Para argilas
cauliníticas a atividade pozolânica ocorre, em geral, entre temperaturas de 500oC
e 900oC (Souza Santos, 1966; Souza Santos; 1989; Salvador, 1995). A ilita,
entretanto, adquire alta reatividade a partir de 900oC (He et al., 1995 b; Kihara e
Shukuzawa, 1982). A Figura 3.3 apresenta os resultados de ensaios de
resistência à compressão em argamassas contendo diferentes argilas calcinadas
(He et al., 1995 a), com suas respectivas temperaturas ótimas de ativação, isto é,
temperaturas onde desenvolvem a máxima atividade pozolânica.
De acordo com Souza Santos (1966), todas as pozolanas produzidas a
partir de argilas calcinadas necessitam de moagem até finura suficiente para
desenvolverem mais satisfatoriamente a atividade pozolânica.
41
cimento : pozolana : areia - 70 : 30 : 300 (em massa)
consistência - 100% flow (ASTM flow table)
100
Resistência à compressão
aos 28 dias (MPa)
650oC
830oC
80
960oC
830oC
930oC
60
40
20
0
caulinta
ilita
montmorilonita-Na
mica/esmectita
sepiolita
argamassa - 100% cimento
Figura 3.3 – Resistência à compressão aos 28 dias de argamassas contendo diferentes
argilas calcinadas como adições ativas (He et al., 1995 a). Os valores indicados sobre as
barras correspondem às temperaturas ótimas de queima, em graus centígrados, para
cada argilomineral.
No Brasil, as pozolanas de argilas calcinadas têm merecido pouca
atenção dos pesquisadores, muito embora não se possa deixar de registrar os
excelentes estudos desenvolvidos pelos pesquisadores ligados diretamente às
grandes barragens brasileiras que utilizaram este material em sua construção
(Scandiuzzi e Andriolo, 1981; Saad et al., 1983 a; Saad et al., 1983 b; Zampieri,
1989). Igualmente relevantes foram as iniciativas patrocinadas pelas fábricas
brasileiras de cimento Portland e pela Associação Brasileira de Cimento Portland
(Zampieri, 1989). Na Tabela 3.2, extraída de Saad et al. (1983 b) são
apresentados exemplos de obras em barragens, onde é possível se observar o
uso intenso de argila calcinada como pozolana.
42
Tabela 3.2 – Dados gerais de barragens construídas no Brasil (Saad et al., 1983 b).
Barragem
Período de
construção
Volume total
Quantidade
Total de
de concreto
total de
pozolana por m 3
(m 3)
pozolana (t)
de concreto (kg)
Jupiá (MS)
1962 – 1969
1.600.000
44.000
27
Ilha Solteira (MS)
1968 – 1968
3.750.000
148.000
40
Capivara (SP)
1970 – 1975
680.000
12.000
17
Água Vermelha (MG)
1973 – 1979
1.560.000
65.000
40
3.1.1. Metacaulinita
Dentre todos os solos argilosos, os cauliníticos são os mais comuns, e
portanto, amplamente utilizados para a obtenção de pozolanas. Inúmeros são os
trabalhos de pesquisa sobre o potencial e a influência em concretos e
argamassas da metacaulinita * (solo caulinítico calcinado). Estudos realizados por
Murat (1983 b), de Silva e Glasser (1992), Caldarone et al. (1994) e Zhang e
Malhotra (1995) apontaram para a elevada atividade pozolânica e excelente
potencial de utilização da metacaulinita como aditivo mineral para a produção de
concretos de alto desempenho, com resultados similares aos obtidos em
concretos com sílica ativa. Saad et al. (1983 b) destaca a grande utilização desta
pozolana nas décadas de 60 e 70 na construção de algumas grandes barragens
no Brasil, substituindo cerca de 30%, em volume, de cimento para concretos
massa e cerca de 20% para concretos estruturais.
A desidroxilação da caulinita ocorre conforme a Equação (3.4), em
torno de 500oC. A fase metacaulinita, contendo sílica e alumina em elevado
estado de desordem é responsável pela atividade química. Havendo uma
persistência na queima para temperaturas acima de 900oC ocorre formação de
novos
compostos
cristalinos
estáveis,
de
menor
superfície
específica,
ocasionando, portanto, uma queda considerável na atividade da pozolana
(Salvador, 1985; Souza Santos, 1989). De acordo com Souza Santos (1966) é
*
A terminologia “metacaulim” é também utilizada para designar pozolanas produzidas a partir de argilas
predominantemente cauliníticas.
43
lícito concluir que a componente das argilas cauliníticas responsável pela
atividade pozolânica é a metacaulinita.
Al2O3.2SiO2.2H2O → Al2O3.2SiO2 + H2O
(caulinita)
(metacaulinita)
(3.4)
(gás)
(Representação abreviada: AS2H2 → AS2 + H)
De acordo com Wild et al. (1996 a), a substituição parcial de cimento
Portland por metacaulinitas ocasiona, devido ao efeito microfíler, um acréscimo
imediato na resistência do concreto, já verificado nas primeiras 24 horas, e um
efeito posterior devido à ação pozolânica, que atinge o seu máximo entre 7 e 14
dias. Além do silicato de cálcio hidratado (C-S-H), os principais produtos
hidratados formados, à temperatura ambiente, pelas reações pozolânicas da
metacaulinita são os seguintes, segundo Murat (1983 a) e de Silva e Glasser
(1992):
AS2 + 6 CH + 9 H → C4AH13 + 2 CSH
(3.5)
AS2 + 5 CH + 3 H → C3AH6 + 2 CSH
(3.6)
AS2 + 3 CH + 6 H → C2ASH8 + CSH
(3.7)
Segundo Zampieri (1989), em alguns casos, desde que haja
disponibilidade de SO3, podem se formar ainda etringita e monossulfoaluminato
de cálcio.
Estudos realizados por Curcio et al. (1998) com quatro diferentes tipos
de metacaulim, além de sílica ativa, em substituição parcial de 15% da massa de
cimento, em argamassas de alto desempenho, revelaram a influência da finura do
aditivo na resistência à compressão. A Figura 3.4 ilustra os resultados obtidos,
onde observa-se que, nas idades inicias, as argamassas contendo os metacaulins
de maior superfície específica (1, 2 e 3), apresentam valores de resistência
44
superiores aos obtidos para as argamassas de referência e contendo sílica ativa *.
Mesmo para idades avançadas, as amostras com metacaulim e sílica ativa
apresentam valores de resistência similares. Resultados semelhantes foram
obtidos em concreto por Zhang e Malhotra (1995) e Wild et al. (1996 a).
água/aglomerante = 0,33
S u p e r f í c i e e s p e c í f i c a - B E T ( m 2/ k g ) :
metacaulim 1 - 19800
metacaulim 2 - 13900
Resistência à compressão (MPa)
metacaulim 3 - 14700
metacaulim 4 - 12700
sílica ativa - 18200
120
110
100
90
80
1
10
100
1000
Tempo de cura (dias)
metacaulim 1
metacaulim 2
metacaulim 3
metacaulim 4
sílica ativa
cimento Portland - 100%
Figura 3.4 – Resistência à compressão de argamassas contendo metacaulim e sílica
ativa (Curcio et al., 1998).
A Figura 3.5 evidencia um aspecto importante de misturas de cimento
Portland e metacaulinita: o efeito de aceleração das reações de hidratação. Este
efeito ocorre devido à ação dispersante desta pozolana sobre as partículas de
cimento, atuando, desta forma, como um agente de nucleação na matriz
cimentícia (Frías e Cabrera, 2000). Para Zhang e malhotra (1995) o rápido
consumo de hidróxido de cálcio pela metacaulinita, realizado no período inicial de
hidratação, densifica a matriz cimentícia limitando a mobilidade iônica necessária
às reações pozolânicas, que poderiam gerar um incremento maior de resistência
em idades elevadas.
*
Sílica ativa é a terminologia brasileira adotada para a microsilica ou silica fume.
relação água/aglomerante - 0,55
superfície específica (BET) - 15500 m2/kg
25
2
(%)
45
Quantidade de Ca(OH)
20
15
10
5
0
0
2
4
6
8
Tempo de hidratação (dias)
metacaulinita - 0%
metacaulinita - 10%
metacaulinita - 15%
metacaulinita - 20%
Figura 3.5 – Evolução do hidróxido de cálcio com o tempo de hidratação (Frías e
Cabrera, 2000).
Ramlochan et al. (2000) verificaram a eficácia de um metacaulim no
controle da expansão proporcionada pela reação álcali-sílica no concreto.
Observa-se que, com substituições de 15% a 20% de cimento por metacaulim, há
uma redução significativa nas concentrações dos íons OH-, Na+, e K+ na solução
dos poros do concreto, contribuindo para a diminuição do pH da solução. A Figura
3.6 apresenta a evolução da expansão de prismas de concreto (75 mm x 75 mm x
300 mm) contendo metacaulim, cimento Portland do tipo I e agregado de cálcareo
altamente reativo.
46
0,30
Expansão (%)
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
0
200
400
600
800
Idade (dias)
metacaulim - 0%
metacaulim - 5%
metacaulim - 15%
metacaulim - 20%
metacaulim - 10%
Figura 3.6 – Evolução da expansão de prismas de concreto contendo metacaulim
(Ramlochan, 2000).
A temperatura ótima de ativação depende das características do solo
utilizado como matéria-prima. A faixa ideal sugerida por de Silva e Glasser é a
compreendida entre 700oC e 800oC. He et al. (1995 a) encontrou para a
temperatura de 650oC os melhores resultados de resistência à compressão. O
teor de substituição também influência as propriedades do concreto. Wild et al.
(1996 a) apontam 20% de substituição de cimento por metacaulinita como um
patamar acima do qual a resistência diminui para todas as idades ensaiadas,
conforme Figura 3.7.
47
Resistência à compressão
(MPa)
90,00
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
0
5
10
15
20
25
30
Teor de metacaulinita (%)
07 dias
14 dias
28 dias
90 dias
Figura 3.7 – Resistência à compressão de concretos com metacaulinita (Wild et al., 1996
a).
Mesmo com todas as melhorias provenientes do uso da metacaulinita
em concretos e argamassas, sua utilização não é tão freqüente quando
comparada com outras pozolanas, como sílica ativa e cinza volante. De acordo
com Palomo et al. (1999) tal fato se deve ao alto custo relativo de processamento
deste aditivo. O crescente de uso de resíduos da indústria cerâmica poderá vir a
mudar este quadro, já que trariam uma substancial redução no custo. Várias
pesquisas apontam para esta utilização (Wild et al., 1996 b; Baronio e Binda,
1997; Ay e Ünal, 2000; Mostafa et al., 2001; O’Farrell et al., 2001; Cordeiro et al.,
2001).
3.2. SÍLICA ATIVA
A sílica ativa é sub-produto do processo de fabricação de do silício
metálico ou ligas de ferro-silício em grandes fornos elétricos a arco voltaico. O
silício metálico é produzido pela redução do quartzo em presença de carvão (e de
ferro para a produção das ligas) em temperaturas de aproximadamente 2000oC.
Durante o processo o monóxido de silício (SiO) se desprende na forma de gás, se
oxida e se condensa na forma de partículas esféricas extremamente pequenas de
sílica amorfa (SiO2). O material é então removido por filtração dos gases de
exaustão em filtros manga e possuem um diâmetro médio da ordem de 0,1 µm
48
(cerca de 100 vezes menor que o diâmetro médio das partículas de cimento) e
superfície específica da ordem de 20000 m2/kg (ACI 226, 1987; Lewis, 1996;
Neville, 1997; NBR 13956, 1997).
O elevado teor de SiO2 amorfo, a forma esférica das partículas e
grande finura apresentada pela sílica ativa faz com que este material apresente
uma excelente atividade pozolânica, e consequentemente ótimo desempenho na
confecção de concretos de alto desempenho. Essa alta reatividade possibilita a
formação de silicato de cálcio hidratado adicional, que é o principal responsável
pela resistência do concreto, como já foi abordado anteriormente.
A Figura 3.8 mostra esquematicamente o efeito de densificação da
pasta proporcionado pelo uso de sílica ativa e aditivo superplastificante (Amaral,
1988). A ação conjunta da reação pozolânica e do efeito microfíler responde pela
elevação da resistência e aumento da durabilidade do concreto.
(a)
(b)
(c)
sílica ativa
grão de cimento
Figura 3.8 – Representação esquemática de partículas de cimento Portland numa pasta
sem aditivos (a), com aditivo superplastificante (b) e com aditivo superplastificante e sílica
ativa (c) – Amaral (1988); Aïtcin (1998).
A adição de sílica ativa ao concreto interfere na movimentação das
partículas de água em relação aos sólidos da mistura, reduzindo ou eliminando o
acúmulo de água livre que normalmente fica retido sob o agregado. Além disso, a
sílica ativa preenche os vazios deixados pelo cimento próximos à superfície do
agregado, interferindo no crescimento e no grau de orientação dos cristais de
hidróxido de cálcio junto ao agregado. A ação desses fatores em conjunto com a
49
redução da concentração de Ca(OH)2 (devido à atividade pozolânica) proporciona
uma melhora significativa na zona de transição pasta-agregado, refletindo num
aumento de desempenho do concreto tanto sob o ponto de vista de resistência
como de durabilidade (Dal Molin, 1995).
A Figura 3.9 ilustra a influência positiva da sílica ativa na durabilidade
do concreto. Com a substituição de 10%, em massa, de cimento por sílica ativa,
observa-se uma redução significativa na porosidade das pastas hidratadas
(Hassan et al., 1984).
9
Porosidade (%)
8
7
6
5
4
1
10
100
1000
Idade (dias)
Concreto sem adição
Concreto com sílica ativa (10%)
Figura 3.9 – Redução da porosidade do concreto com e sem substituição de 10% de
cimento Portland por sílica ativa, com o tempo (Hassan et al., 2000).
O uso de sílica ativa no concreto aumenta a demanda de água (ACI
363, 1991). Isto se deve a sua elevada superfície específica, aliada à
possibilidade de formação de grumos de partículas. Desta forma, torna-se
imprescindível a utilização de aditivos redutores de água, para garantir, mesmo
com relações água aglomerante baixas, um concreto com trabalhabilidade
satisfatória.
Aïtcin (1998) comenta que devido ao tamanho reduzido de suas
partículas, a adição de sílica ativa reduz drasticamente tanto a exsudação quanto
a segregação no concreto. A Figura 3.10, apresentada por Dal Molin (1995),
mostra os resultados do estudo de Bilodeau, onde é possível observar uma
50
redução da taxa de exsudação superior a 90% quando se substitui 10% da massa
Exsudação (cm
/cm ) x 10
de cimento por sílica ativa.
200
150
100
50
0
0
50
100
150
200
250
300
Tempo (min)
Controle
Sílica ativa - 5%
Sílica ativa - 10%
Figura 3.10 – Taxa de exsudação de concretos com e sem sílica ativa (Bilodeau apud
Dal Molin, 1995).
51
4. PROGRAMA EXPERIMENTAL
Baseado nas discussões apresentadas nos Capítulos 2 e 3, referentes
aos materiais constituintes e o processamento do concreto, foi definido o
programa experimental. Para alcançar os objetivos deste trabalho foi realizada
uma série de ensaios com procedimentos normalizados, conforme as seguintes
etapas:
•
Escolha e caracterização da matéria-prima para a produção da
metacaulinita;
•
Caracterização física e química da metacaulinita;
•
Caracterização dos demais materiais empregados na confecção das
argamassas e concretos;
•
Verificação da compatibilidade entre o cimento e o superplastificante
•
Realização dos ensaios de índice de atividade pozolânica;
utilizados;
•
Realização de ensaios de resistência à compressão de corpos-de-
prova de argamassa e concreto, confeccionados com diferentes teores de aditivo
mineral e ensaiados em diversas idades.
A maior parte deste programa foi desenvolvida no Laboratório de
Engenharia Civil da Universidade Estadual do Norte Fluminense. Alguns ensaios
de caracterização dos materiais empregados foram realizados em outros
laboratórios que serão especificados no decorrer do texto.
52
4.1. DEFINIÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA
A escolha da metacaulinita como pozolana deve-se principalmente à
disponibilidade de jazidas argilosas em Campos dos Goytacazes, oriundas do
transporte e acúmulo de sedimentos na planície aluvionar do Rio Paraíba do Sul.
Além disso, o trabalho consiste em uma nova proposta para o aproveitamento
deste material.
Neste contexto, duas amostras, denominadas de amostra 1 e amostra
2, foram coletadas de jazidas distintas, nas localidades de Goytacazes e Donana,
respectivamente.
Esses
solos,
após
caracterização
granulométrica
e
mineralógica, por difratometria de raios-X, foram processados e comparados,
levando-se em conta, o índice de atividade pozolânica com cimento Portland
(NBR 5752, 1992). A amostra 1 foi retirada de perfil a 3,0 m da superfície,
enquanto a amostra 2 estava a uma profundidade de 2,6 m (Figura 4.1).
(a)
(b)
Figura 4.1 – Jazidas argilosas das amostras 1 (a) e 2 (b).
As duas amostras apresentam suas frações argilosas compostas
predominantemente
pelo
argilomineral
caulinita,
conforme
mostram
os
difratogramas das Figuras 4.2 e 4.3. Também foram identificados traços de ilita e
gibsita (Al(OH)3). A separação da fração argila consistiu de: tratamento da
amostra com NaOH 1 N; separação da areia por meio de peneiramento;
decantação do silte; sifonamento da suspensão contendo argila; floculação com
HCl; e lavagem em água destilada. Após a separação, a argila foi concentrada por
meio de centrifugação a 1500 rpm durante 10 minutos.
53
Para as análises de difratometria de raios-X*, foram tomadas alíquotas
da suspensão de argila para preparar as lâminas. Utilizou-se o difratômetro
Seifert, modelo URD 65 (software APX 63), do Laboratório de Ciências Físicas da
UENF. Para a interpretação dos resultados difratométricos utilizou-se os dados
dos arquivos do Joint Committee on Powder Standards (JCPDS, 1995).
c
c
c – caulinita
g - gibsita
g
g
Figura 4.2 – Difratograma de raios-X da amostra 1.
c
c – caulinita
g – gibsita
i – ilita
c
g
i
i
i
i
i
g
Figura 4.3 – Difratograma de raios-X da amostra 2.
Os solos das amostras 1 e 2 apresentam 63% e 88% de argila,
respectivamente. As composições granulométricas foram determinadas segundo
os requisitos da (NBR 7181, 1984), e estão representadas na Figura 4.4.
*
Condições experimentais: anodo de Cu; monocromador de grafite; tensão de 35 kV; corrente de 40 mA.
54
Porcentagem passante
100
80
60
40
20
0
1
10
100
1000
Diâmetro médio das partículas (mm)
Amostra 1 - Teor de argila: 63%
Amostra 2 - Teor de argila: 88%
Figura 4.4 – Curvas granulométricas das amostras de solos argilosos.
A amostra 2 foi selecionada para a produção da metacaulinita que será
utilizada nos ensaios em concretos e argamassas, em função de seu índice de
atividade pozolânica (detalhado no ítem 5.2 do Capítulo 5).
4.2. PRODUÇÃO DA METACAULINITA
A produção da metacaulinita seguiu os procedimentos estabelecidos
por Andriolo (1999), cuja seqüência é apresentada na Figura 4.5.
55
Solo Argiloso "in natura"
Secagem em estufa
110 ± 5°C
Homogeneização
Análise química
Ensaios físicos
Moagem inicial
Queima
Temperatura ± 10°C
Moagem final
Peneiramento
Ensaios físicos
Análise química
Figura 4.5 – Fluxograma de produção da metacaulinita (adaptado de Andriolo, 1999).
Os solos argilosos sofreram um processo de secagem em estufa, a
110oC ± 5oC, por um período de 24 horas, seguido de uma homogeneização. As
massas específicas, obtidas pelo método do picnômetro (NBR 6508, 1984) foram
de 2570 kg/m3 e 2530 kg/m3, para as amostras 1 e 2, respectivamente.
A moagem inicial foi efetuada em um moinho de bolas (marca Sonnex,
14 kg por batelada – Figura 4.6) com 300 rotações. A moagem final, se deu após
a queima das amostras no mesmo moinho com 1000 rotações. Este procedimento
associa-se ao melhor aproveitamento do processo de queima, conferindo maior
homogeneidade ao material. Observou-se que o material resultante da moagem
com 300 e até mesmo 500 rotações apresentava partículas com dimensões
superiores a 2,4 mm. Na moagem com 1000 rotações este efeito não foi
observado.
56
Figura 4.6 – Moinho de bolas utilizado no processo de moagem das amostras.
A queima foi efetuada em forno Mufla * (Figura 4.7) nas temperaturas de
550oC, 650oC, 750oC, 850oC e 950oC, com o objetivo de induzir na pozolana
diferentes graus de desarranjo cristalino. A escolha de tais temperaturas foi
orientada pelas análises térmica diferencial e de difratometria de raios-X.
O ciclo de queima empregado foi lento com patamar de 3 horas na
temperatura desejada (Figura 4.8). Vale ressaltar que utilizou-se para algumas
queimas, realizadas no início da pesquisa, patamares menores, com 01 e 02
horas. Entretanto, o aspecto apresentado pelo material calcinado, para estes
períodos, não foi uniforme, revelando uma queima ineficiente. Com 03 horas de
queima este efeito não foi observado.
Figura 4.7 – Forno tipo Mufla utilizado para a queima das amostras.
*
Forno Mufla de laboratório, marca Quimis, com aquecimento elétrico e temperatura máxima de 1200oC.
Tdesejada
Temperatura (
o
C)
57
110oC
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Tempo (h)
Figura 4.8 – Ciclo de queima utilizado.
As curvas de análise térmica diferencial*, ilustradas na Figura 4.9,
apresentam picos endotérmicos (em torno de 260oC e 490oC) e exotérmicos (em
torno de 960oC) típicos de argilas cauliníticas, contendo gibsita (Souza Santos,
1989). Nas temperaturas de 260oC e 262oC, para as amostras 1 e 2,
respectivamente, ocorre a perda de OH estrutural, sob a forma de água, na
gibsita. Os picos endotérmicos nas temperaturas de 500oC (amostra 1) e 491oC
(amotra 2) indicam a desidroxilação da caulinita, formando-se a metacaulinita.
Este evento, registrado nas curvas termodiferenciais por intensos picos, servem
para caracterizar a temperatura mínima para o desarranjo do retículo cristalino da
caulinita. Os picos exotérmicos em 960oC e 970oC (amostras 1 e 2,
respectivamente) são indicativos do início da recristralização das caulinitas a
partir das metacaulinitas previamente formadas. Com isso, a faixa compreendida
entre as temperaturas de 550oC a 950oC pode ser utilizada para a produção do
aditivo mineral a partir dos dois solos argilosos.
*
Os ensaios de análise térmica diferencial foram realizados pela ABCP/SP, q ue utiliza o aparelho de análise
RIGAKU, modelo Thermoflex da ABCP/SP.
58
960oC
Amostra 1
260oC
Taxa de aquecimento: 10 o C/min
Sensibilidade: 100 µ v
500oC
Termopar: platina ródio
Inerte: corindon (Al2 O 3 )
970oC
Amostra 2
262oC
491oC
0
200
400
600
800
1000
1200
Temperatura (oC)
Figura 4.9 – Análise térmica e diferencial das argilas cauliníticas.
Segundo Scandiuzzi e Andriolo (1981), uma argila bem queimada,
quando submetida a análise térmica diferencial, não deve apresentar os picos
endotérmicos, devendo porém, revelar o pico exotérmico em torno de 950oC. A
Figura 4.10 apresenta o resultado da análise térmica para o metacaulim queimado
à 650oC, onde verifica-se apenas uma reação exotérmica a 966oC, típica da
nucleação da mulita a partir da metacaulinita.
9 6 6 oC
Taxa de aquecimento: 10 o C/min
Sensibilidade: 100 µ v
Termopar: platina ródio
Inerte: corindon (Al2 O 3 )
0
200
400
600
800
1000
1200
o
Temperatura ( C)
Figura 4.10 – Análise térmica diferencial da metacaulinita queimada à 650oC.
59
Os difratogramas da Figura 4.11 confirmam a perda de cristalinidade
aos raios-X da caulinita na faixa compreendida entre 450oC e 550oC, para a
amostra 2.
c
c – caulinita
i – ilita
g – gibsita
c
i
g
i
i
i
g
110oC
o
450 C
550oC
Figura 4.11 – Difratogramas de raios-X da amostra 2 nas temperaturas de queima de
110oC, 450oC e 550oC.
Após queima e moagem, as amostras foram submetidas a um
processo de peneiramento mecânico em malha de 75 µm (peneira ABNT no. 200).
Nesta etapa foram produzidos 2 kg de metacaulinita a partir das duas amostras
para os ensaios de índice de atividade pozolânica. Os valores de massa
específica (NBR 6508, 1984) determinados para as metacaulinitas foram de 2510
kg/m3 e 2440 kg/m3, para as amostras 1 e 2 respectivamente.
A metacaulinita da amostra 2 mostrou-se mais reativa de acordo com
os procedimentos adotados. Completou-se a caracterização desta amostra na
temperatura de queima que apresentou os melhores resultados de pozolanicidade
(650oC)*. Com o objetivo de avaliar a influência da finura da metacaulinita na sua
atividade pozolânica com cimento, foram também produzidas pozolanas com o
material que passa na peneira de malha 250 µm.
4.3. CARACTERIZAÇÃO DA METACAULINITA
60
Definida a matéria-prima, a ser utilizada para a produção do aditivo
mineral, efetuou-se sua caracterização para a confecção de amostras de
argamassa e concreto.
A distribuição granulométrica, obtida através de analisador de
partículas a laser*1 (Laboratório de Cimento da ABCP/SP), utilizando-se álcool
anidro como dispersante e ultra-som durante 60 segundos, é apresentada na
Tabela 4.1 e na Figura 4.12. A metacaulinita apresenta 1,70% de resíduo na
peneira ABNT no. 325 (45 µm)*2.
Tabela 4.1 – Distribuição granulométrica da metacaulinita queimada a 650oC e peneirada
na malha 75 µm.
D(µ
µ m)
P (%)
D(µ
µ m)
P (%)
D(µ
µ m)
P (%)
D(µ
µ m)
P (%)
D(µ
µ m)
P (%)
D(µ
µ m)
P (%)
D(µ
µ m)
P (%)
*
0,04
0,1
0,9
5,2
2,4
19,8
4,6
35,5
9,0
51,3
19,0
74,0
36,0
93,8
0,07
0,2
1,0
6,1
2,6
21,5
5,0
37,6
10,0
53,9
20,0
75,6
38,0
95,3
0,1
0,3
1,1
7,1
2,8
23,2
5,3
39,1
11,0
56,4
21,0
77,1
40,0
96,5
0,2
0,7
1,2
8,1
3,0
24,8
5,6
40,5
12,0
58,9
22,0
78,5
43,0
97,9
0,3
1,2
1,3
9,2
3,2
26,3
6,0
42,1
13,0
61,4
23,0
79,8
45,0
98,6
0,4
1,6
1,4
10,2
3,4
27,8
6,5
44,0
14,0
63,8
25,0
82,3
50,0
99,6
0,5
2,1
1,6
12,2
3,6
29,2
7,0
45,7
15,0
66,1
28,0
85,9
53,0
99,9
0,6
2,7
1,8
14,2
3,8
30,6
7,5
47,2
16,0
68,3
30,0
88,1
56,0
100,0
0,7
3,4
2,0
16,1
4,0
31,9
8,0
48,6
17,0
70,4
32,0
90,2
60,0
100,0
0,8
4,2
2,2
18,0
4,3
33,8
8,5
50,0
18,0
72,2
34,0
92,1
63,0
100,0
Verificar item 5.2 do Capítulo 5 (Índice de atividade pozolânica).
O diâmetro das partículas é obtido através da conversão de sinais de distribuição de energia dos anéis de
difração do equipamento a laser CILAS – Modelo 1064.
*2
Ensaio realizado no Laboratório de Cimento da ABCP/SP utilizando um peneirador aerodinâmico (NBR
12826, 1993) com as seguintes condições experimentais: massa de amostra de 10 g; tempo de ensaio igual a
5 minutos; pressão negativa de 600 mmca (milímetros de coluna d’água).
*1
61
Porcentagem passante
100
80
60
40
20
0
0,1
1,0
10,0
100,0
Diâmetro das partículas (µm)
Figura 4.12 – Distribuição granulométrica da metacaulinita.
A Tabela 4.2 apresenta os valores de dimensão média e a dimensão
equivalente a 10% e a 90% de partículas passantes.
Tabela 4.2 – Dimensões características da metacaulinita.
Diâmetro abaixo do
Diâmetro abaixo do
Dimensão média (µ
µ m) qual encontram-se 10% qual encontram-se 90%
das partículas (µ
µ m)
das partículas (µ
µ m)
8,5
1,4
31,8
O resultado da análise química, realizada por espectrometria de raios-X
no Laboratório de Cimento da ABCP/SP, encontra-se na Tabela 4.3. O teor de
SO3 foi determinado no equipamento SC-432 da Leco. A Figura 4.13 ilustra o
aspecto da metacaulinita produzida.
62
Tabela 4.3 – Análise química da matéria-prima e da metacaulinita.
Composição química
Dióxido de silício
Óxido de alumínio
Óxido de ferro
Óxido de cálcio
Óxido de magnésio
Trióxido de enxofre
Óxido de sódio
Óxido de potássio
Perda ao fogo
(SiO 2)
(Al2O3)
(Fe2O3)
(CaO)
(MgO)
(SO3)
(Na2O)
(K2O)
(PF)
Teor (% em massa)
Matéria-prima*
Metacaulinita
45,51
50,70
29,51
37,62
3,13
3,74
0,28
0,05
0,56
0,63
0,20
0,11
0,06
0,00
0,55
0,71
17,24
5,08
* Solo argiloso (amostra 2).
(a)
(b)
Figura 4.13 – Metacaulinita (a) e (b).
4.4. CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS EMPREGADOS
A
escolha
dos
materiais
utilizados
na
confecção de pastas,
argamassas e concretos levou em conta um dos objetivos desta pesquisa, que é
avaliar a viabilidade de produção de concreto de alto desempenho utilizando
materiais do município.
A
representação
esquemática
do
município
de
Campos
dos
Goytacazes, ilustrada na Figura 4.14, mostra os locais de coleta dos agregados e
dos solos argilosos utilizados na fabricação da metacaulinita.
63
Espírito Santo
N
Município de
Campos dos
Goytacazes/RJ
Areal
Oceano
10000 m
Atlântico
Rio Paraíba
do Sul
.
Lagoa de Cima
.
.
Área
urbana
BR 101
Lagoa Feia
RJ 256
Pedreira
Jazida
argilosa
Figura 4.14 – Representação esquemática dos locais de coleta dos materiais naturais.
4.4.1. Cimento Portland
O cimento empregado foi do tipo composto (tipo II), com escória
granulada de alto-forno, classe 32, disponível em qualquer ponto da cidade e
cujas características constam na Tabela 4.4.
Foram utilizados cimentos de dois lotes de fabricação, denominados de
lotes 1 e 2. Com o cimento do lote 1 foram confeccionadas argamassas para os
ensaios de índice de atividade pozolânica com cimento e de resistência à
compressão. Utilizou-se o cimento Portland do lote 2 para os teste de
compatibilidade cimento-superplastificante e para os ensaios de resistência à
compressão em concreto. Não há, contudo, uma diferença considerável entre os
valores apresentados para os cimentos dos lotes 1 e 2.
64
Tabela 4.4 – Características dos cimentos Portland CP II E 32 utilizados.
Propriedade
Peneira 75 µm (%)
Peneira 45 µm (%)
Superfície específica (m2/kg)
Início de pega (h : min)
Fim de pega (h : min)
Massa específica (kg/m 3)
Resistência aos 3 dias (MPa)
Resistência aos 7 dias (MPa)
Resistência aos 28 dias (MPa)
Expansibilidade à quente (mm)
Gesso (%)
Calcário (%)
Escória (%)
MgO (%)
CaO livre (%)
SO3 (%)
Resíduo insolúvel (%)
Perda ao fogo (%)
Cimento
Lote 1
2,50
12,30
317
03 : 19
04 : 30
3140
24,10
29,50
37,10
0,50
2,90
10,0
13,80
1,50
2,00
2,82
0,59
4,15
Cimento
Lote 2
2,30
11,60
318
03 : 02
04 : 05
3140
24,70
30,00
37,90
0,50
2,80
10,0
12,10
1,61
1,60
2,74
0,57
4,21
É possível observar que todos os valores apresentados na Tabela 4.4
atendem às exigências da NBR 11578 (1991). Ressalta-se que os valores de
resistência à compressão dos cimentos ensaiados foram superiores aos
estabelecidos por norma.
4.4.2. Agregados
Os agregados graúdos produzidos atualmente no município são
provenientes da britagem de rochas de dois maciços rochosos, um composto por
granito e outro de charnoquito com intrusões de leptinito. Optou-se pela brita
granítica por sua homogeneidade, visto que para a obtenção do outro agregado
são britadas em conjunto duas rochas diferentes.
Amostras do agregado granítico foram coletadas, conforme a NBR
7216 (1987) e a NBR 9941 (1997), para a realização dos ensaios de
caracterização física, mecânica e mineralógica e também para a produção dos
concretos (Figura 4.15). Blocos de aproximadamente 30 cm x 30 cm x 40 cm
foram coletados para os ensaios de abrasão Los Angeles e de resistência à
65
compressão simples e módulo de deformabilidade. Estes ensaios, juntamente
com a diagnose petrográfica, foram realizados no Departamento de Geologia do
Instituto de Geociências da Universidade Federal do Rio de Janeiro.
Figura 4.15 – Coleta de amostras de granito para caracterização física, mecânica e
mineralógica; aspecto da jazida.
De acordo com a diagnose petrográfica a rocha pode ser classificada
como um granito, pois apresenta textura inequigranular, hipidiomórfica, sendo seu
estado de cor aproximadamente 5%. A composição mineralógica do granito
encontra-se na Tabela 4.5.
Tabela 4.5 – Composição mineralógica do granito.
Mineralogia
Álcali feldspatos
Quartzo
Plagioclásios
Biotita
Apatita, zircão, alanita e opacos
Mica branca, carbonatos e epidotos
Clorita
Composição Modal
40%
35%
15%
5%
1%
3%
1%
O ensaio de Abrasão Los Angeles foi executado segundo a NBR 6465
(1984), com graduação A dos agregados. A preparação dos corpos-de-prova para
o ensaio de resistência foi feita de acordo com as recomendações da International
Society for Rock Mechanics (ISRM, 1978), que são semelhantes às propostas
pela NBR 10341 (1988). Os corpos-de-prova cilíndricos, de dimensões NX, foram
ensaiados saturados e com taxa de carregamento que produziu a ruptura entre 5
e 10 minutos. Os módulos de deformabilidade tangente são apresentados na
66
Tabela 4.6, juntamente com as demais características do agregado graúdo, e
foram calculados para tensão correspondente a 50% da tensão de ruptura. A
Figura 4.16 mostra um dos cinco corpos-de-prova utilizados no ensaio.
Tabela 4.6 – Características físicas, granulométricas e mecânicas do agregado graúdo.
Abertura da
Massa retida
peneira (mm)
(g)
25,0
0,00
19,0
394,49
9,5
7614,84
4,8
1756,10
2,4
216,33
Fundo de peneira
18,25
Dimensão máxima característica
Módulo de finura
Classificação ABNT (NBR 7211, 1983)
Massa específica
Forma
Abrasão Los Angeles
Resistência à compressão
Massa unitária compactada
(a)
Material retido
acumulado (%)
0,0
3,4
80,1
97,7
99,8
100,0
19,0 mm
6,82
Brita 1
2648 kg/m 3
Cúbica
33 %
119 MPa
1470 kg/m 3
(b)
Figura 4.16 – Corpo-de-prova NX de granito antes (a) e após ruptura (b) por compressão
simples.
O agregado miúdo utilizado nos concretos foi uma areia quartzosa
lavada proveniente do Rio Paraíba do Sul. Optou-se pela areia mais grossa que
apresentasse módulo de finura maior que 3. As características físicas e
granulométricas do agregado miúdo encontram-se na Tabela 4.7. Em todos os
ensaios de índice de atividade pozolânica e de resistência à compressão em
argamassas, os corpos-de-prova foram confeccionados com Areia Normal
67
Brasileira (NBR 7214, 1982), proveniente do Rio Tietê, produzida e fornecida pelo
Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S.A. (IPT).
Tabela 4.7 – Características físicas e granulométricas do agregado miúdo.
Abertura da
Massa retida
peneira (mm)
(g)
6,30
0,00
4,80
17,20
2,40
137,84
1,20
302,32
0,60
228,00
0,30
236,00
0,15
72,00
Fundo de peneira
6,64
Dimensão máxima característica
Módulo de finura
Classificação ABNT (NBR 7211, 1983)
Massa específica
Material retido
acumulado (%)
0,0
1,7
15,5
45,7
68,5
92,1
99,3
100,0
4,80 mm
3,23
Areia grossa (zona 4)
2604 kg/m 3
Ressalta-se que todos os agregados pertenceram a um único lote e
foram secos em estufa, a uma temperatura de 110oC ± 5oC por 12 horas, para
remoção da umidade residual. Os agregados graúdos, antes da secagem, foram
lavados para eliminar o material pulverulento presente em sua superfície. Em
seguida foram armazenados em sacos plásticos no interior do laboratório antes
de serem utilizados nos concretos e argamassas.
4.4.3. Sílica Ativa
A sílica ativa foi empregada em função de suas características de
pozolana altamente reativa e devido ao fato de ser um aditivo bastante conhecido
e pesquisado, sendo utilizada correntemente na fabricação de concreto de alto
desempenho.
Utilizou-se uma sílica ativa fornecida por uma indústria nacional,
comercializada em forma de pó, não condensada, proveniente de um mesmo lote
de produção. Suas características, fornecidas através de relatório de ensaios da
indústria, encontram-se na Tabela 4.8.
68
Tabela 4.8 – Características da sílica ativa.
Análise física
Umidade
0,34(%)
Densidade aparente 152,6 (kg/m 3)
Massa específica
2200 (kg/m 3)
Análise química (%)
SiO 2
94,15
Fe2O3
0,09
Al2O3
0,04
CaO
0,14
MgO
0,33
Na2O
0,07
K2O
1,21
MnO
0,05
P2O5
0,30
Perda ao fogo
0,17
A caracterização mineralógica foi realizada por difratometria de raios-X
numa alíquota do pó. O espectro de difração dos raios-X da amostra de sílica
ativa (Figura 4.17) identifica que a mesma é composta essencialmente de sílica
não cristalina.
Figura 4.17 – Difratograma de raios-X da sílica ativa.
4.4.4. Aditivo Superplastificante
Empregou-se na confecção dos concretos aditivo superplastificante a
base de condensados sulfonados de melamina-formaldeído. Suas características
básicas, fornecidas pelo fabricante, constam na Tabela 4.9. O teor de sólidos foi
verificado pela secagem do material em estufa, a uma temperatura de 110oC ±
5oC, até a evaporação total da água e constância de massa. O valor determinado
em laboratório foi igual ao fornecido pelo fabricante. Todo o superplastificante
utilizado foi do mesmo lote de fabricação.
69
Tabela 4.9 – Características do aditivo superplastificante.
Massa específica
pH
Percentual de sólidos
Cor
1120 kg/m 3
9,0
20,0
amarelado
4.4.5. Água
A água utilizada na confecção dos concretos e cura dos concretos e
argamassas foi proveniente da rede de abastecimento do município. Nos corposde-prova utilizados nos ensaios de índice de atividade pozolânica e de resistência
à compressão de argamassas utilizou-se água destilada, livre de sais, hidratos de
carbono e íons de cloro.
4.5.
ENSAIO
DE
COMPATIBILIDADE
ENTRE
CIMENTO
E
SUPERPLASTIFICANTE
A interação entre o cimento Portland composto e o aditivo
superplastificante foi avaliada nesta etapa do programa experimental, através do
ensaio em pasta, baseado no método do miniabatimento, também denominado
método de Kantro. A execução simples e a necessidade de pouco material para
sua realização são as principais vantagens do método. O ensaio de Kantro utiliza
um tronco de cone com as seguintes dimensões internas: diâmetro superior de 20
mm, diâmetro inferior de 40 mm e altura de 60 mm.
As pastas foram preparadas com uma relação água/cimento igual a
0,40 e teores de superplastificante de 0%, 1%, 2% e 3% (da massa de cimento).
O processo de mistura dos componentes, idêntico para todas as pastas, seguiu
as seguintes etapas:
•
Mistura manual dos componentes por 1 minuto;
•
Um período de 30 segundos em velocidade baixa no misturador;
70
•
Parada de 1 minuto. Nesta etapa, é retirada, com o auxílio de uma
espátula, a pasta aderida às paredes da cuba e à pá;
•
Mistura final com o misturador na velocidade alta, por 2 minutos.
O ensaio foi realizado conforme procedimentos descritos por Aïtcin
(1998) e Bucher (1988). A metodologia consiste na utilização de uma placa de
acrílico sobre um folha de papel milimetrado em uma bancada previamente
nivelada. Preenche-se o molde do miniabatimento, disposto no centro da placa,
com a pasta. Após dez batidas de uma espátula no topo do molde, este é
levantado (em aproximadamente 3 segundos), de tal forma que a pasta se
espalhe na placa de acrílico. Com 1 minuto de espalhamento, dois diâmetros
ortogonais são medidos e a média destes dois valores calculada. A área de
espalhamento é calculada a partir do diâmetro médio medido.
Calculou-se, então, a área de espalhamento da pasta para os períodos
de 10 min, 30 min, 45 min e 85 min, após a mistura dos materiais, conforme
ilustra a Figura 4.18. Ressalta-se que não houve reutilização da pasta após a
medição de seu espalhamento. A temperatura foi mantida constante em 24oC
durante todos os ensaios.
(a)
(b)
Figura 4.18 – Materiais empregados no ensaio de miniabatimento (a); Espalhamento da
pasta após o ensaio (b).
A Tabela 4.10 apresenta as proporções dos materiais constituintes das
pastas com diferentes teores de superplastificante.
71
Tabela 4.10 – Dosagem de material para as pastas dos ensaios de miniabatimento.
Mistura
Cimento (g)
SP 0%*
SP 1%
SP 2%
SP 3%
600,0
600,0
600,0
600,0
Superplastificante
(ml)
–
26,79
53,57
80,36
Água (ml)
240,0
216,0
192,0
168,0
* Percentual de superplastificante em relação à massa de cimento Portland.
Para mostrar a tendência dos grãos de cimento Portland a flocularem
em presença de água e a eficiência do superplastificante para a defloculação das
partículas de cimento, um experimento muito simples foi executado, conforme
metodologia empregada por Aïtcin (1998).
Colocou-se em dois béqueres amostras contendo 25 gramas de
cimento. O primeiro béquer de 500 ml é completado com água, enquanto que o
outro contém água, cimento e 5 ml de superplastificante. Após a mistura, por
agitação, de 1 minuto, para total homogeneização da mistura, as soluções foram
deixadas em repouso por 24 horas, com observações ao longo do período. A
dosagem de superplastificante utilizada é deliberadamente 10 vezes maior que as
dosagens usuais em concreto de alto desempenho, porém, com tal adição é
possível eliminar qualquer tendência das partículas de cimento a flocularem em
soluções dispersas como essas (Aïtcin, 1998).
4.6. ENSAIO DE ÍNDICE DE ATIVIDADE POZOLÂNICA
Dois objetivos motivaram a realização dos ensaios de índice de
atividade pozolânica: a determinação da metacaulinita mais reativa em
combinação com o cimento Portland; e a verificação da temperatura de queima e
da finura de maior pozolanicidade deste material.
O índice de atividade pozolânica é um parâmetro muito importante na
avaliação da reatividade de um material a ser utilizado como aditivo mineral em
concretos e argamassas. Existem diversos métodos normalizados no Brasil e no
exterior para a determinação da atividade pozolânica, estando todos baseados na
72
determinação da resistência mecânica de argamassas ou em ensaios químicos.
Gava (1999) comenta que apesar de estarem baseados apenas nestas duas
formas, as diferenças (teor de material pozolânico, condições de cura, idade de
ensaio, tipo de cimento) existentes entre ensaios de uma mesma categoria são
fatores que contribuem para dificultar a comparação entre pozolanas ensaiadas
através de um mesmo ensaio ou de diferentes ensaios.
Este mesmo autor afirma que diversos pesquisadores não verificaram
relação significativa entre o índice de atividade pozolânica, determinado através
do ensaio com cal, com o real desempenho da pozolana no concreto. Por este
motivo, o autor sugere a utilização de ensaios com o cimento. Para Swamy (1993)
além das características físicas e mineralógicas do aditivo mineral, fatores
externos como as características do cimento Portland utilizado, a relação
água/aglomerante, a temperatura e condições de cura contribuem em muito para
alterar os resultados. Havendo um controle efetivo destes fatores, o ensaio com
cimento Portland parece ser a melhor forma de avaliar a pozolanicidade de uma
adição mineral. De acordo com Zampieri (1989), a opção pelo ensaio com
cimento tem o grande mérito de simular uma situação mais realista, muito
embora, a utilização de cimentos de diferentes procedências tendam a apresentar
comportamentos também diferenciados.
A determinação da atividade pozolânica com cimento Portland,
conforme NBR 5752 (1992), consistiu na preparação de argamassas no traço 1 :
3 (cimento Portland : areia Normal). A primeira argamassa contendo somente
cimento Portland, enquanto que as demais apresentavam substituição de 35% do
volume absoluto de cimento usado na primeira por material pozolânico. A
quantidade de água foi determinada para uma consistência fixa de 225 mm ± 5
mm, verificada através do ensaio da mesa de consistência recomendada pela
NBR 7215 (1996), conforme ilustra a Figura 4.19. De acordo com esta norma
foram moldados três corpos-de-prova, de 50 mm de diâmetro por 100 mm de
altura, para cada uma das argamassas (Tabela 4.11). Durante as primeiras 24
horas, os corpos-de-prova foram mantidos nos moldes em câmara úmida, a uma
temperatura de 23 oC ± 2oC, sendo desmoldados após 24 horas e colocados em
recipientes hermeticamente fechados e estanques à temperatura de 38oC ± 2oC,
73
durante 27 dias. Após os 28 dias de idade, os corpos-de-prova, após resfriamento
até a temperatura de 23oC ± 2oC, foram capeados com argamassa de enxofre
(MT-3/ABCP, 2000) e levados a ruptura por compressão simples. Preparou-se
argamassas com a sílica ativa e as duas metacaulinitas testadas.
(a)
(b)
Figura 4.19 – Medida da consistência de argamassa conforme NBR 7215 (1996).
Amostra após socamento (a) e no fim do ensaio (b).
Tabela 4.11 – Dosagem de material para argamassas.
Mistura
Referência
Sílica ativa
MTC1 650l
MTC1 750l
MTC1 850l
MTC 550u
MTC 650u
MTC 750u
MTC 850u
MTC 950u
MTC 550n
MTC 650n
MTC 750n
MTC 850n
MTC 950n
Pozolana
(g)
–
76,51
87,29
87,29
87,29
84,86
84,86
84,86
84,86
84,86
84,86
84,86
84,86
84,86
84,86
Cimento
(g)
312,0
202,8
202,8
202,8
202,8
202,8
202,8
202,8
202,8
202,8
202,8
202,8
202,8
202,8
202,8
Areia
(g)
936,0
936,0
936,0
936,0
936,0
936,0
936,0
936,0
936,0
936,0
936,0
936,0
936,0
936,0
936,0
Água
(g)
190,4
255,0
215,0
215,0
215,0
210,8
210,8
210,8
210,8
210,8
218,5
218,5
218,5
218,5
218,5
Flow test
(mm)
222
222
226
223
228
227
221
226
226
223
229
226
225
226
223
Relação
Água/agl.*
0,61
0,82
0,69
0,69
0,69
0,68
0,68
0,68
0,68
0,68
0,70
0,70
0,70
0,70
0,70
* Relação água/aglomerante equivalente (água/massa total de cimento usada na argamassa de
referência);
o
l
Metacaulinita produzida a partir da amostra 1 calcinado à 650 C (material passante na peneira
75 µm);
u
Metacaulinita que passa na peneira 250 µm calcinado na temperatura indicada, em graus
centígrados, produzida a partir da amostra 2;
n
Metacaulinita que passa na peneira 75 µm calcinado na temperatura indicada, em graus
centígrados, produzida a partir da amostra 2.
O índice de atividade pozolânica com cimento Portland (NBR 5752,
1992) é dado pela razão, em percentual, entre a resistência média à compressão
74
dos três corpos-de-prova moldados com pozolanas e a resistência média dos três
corpos-de-prova moldados somente com o cimento.
4.7. ENSAIOS EM ARGAMASSA
O objetivo dos ensaios em argamassa foi o de determinar o teor de
aditivo mineral para o qual obtêm-se os melhores resultados de resistência à
compressão. Realizou-se os ensaios em argamassa a partir dos resultados
obtidos nos ensaios de índice de atividade pozolânica, onde foram selecionadas a
metacaulinita e a temperatura de queima que apresentaram os melhores
resultados.
Os teores de metacaulinita e sílica ativa estão baseados nos valores
observados na revisão bibliográfica, com substituições de 10%, 15% e 20% da
massa de cimento utilizada na argamassa de referência (sem aditivo). Todas as
argamassas apresentaram uma relação água/aglomerante igual a 0,52 e a Tabela
4.12 lista as dosagens de material utilizadas para cada mistura.
Tabela 4.12 – Dosagem de material para argamassas.
Mistura
Cimento (kg)
Referência
MTC* 10%
MTC 15%
MTC 20%
1,00
0,90
0,85
0,80
Metacaulinita
(kg)
–
0,10
0,15
0,20
Areia (kg)
Água (kg)
3,00
2,98
2,96
2,95
0,52
0,52
0,52
0,52
* MTC – metacaulinita.
Os corpos-de-prova foram preparados conforme às prescrições da
NBR 7215 (1996), que consistiu, inicialmente, na mistura em um misturador
mecânico de todos os materiais, obedecendo aos seguintes procedimentos:
•
Mistura de água e cimento Portland na velocidade baixa por 30
segundos, no misturador elétrico;
•
Após este tempo, sem paralisar a operação de mistura, adiciona-se a
areia normal por um período de 30 segundos;
75
•
Imediatamente após a colocação da areia passa-se para a velocidade
alta, permanecendo por 30 segundos;
•
Desliga-se o misturador por 1 minuto e 30 segundos. Nos primeiros
15 segundos, é retirada, com o auxílio de uma espátula, a argamassa aderida às
paredes da cuba e à pá;
•
Imediatamente após este período, o misturador é novamente ligado
na velocidade alta por 1 minuto.
Após a mistura, foi determinado o índice de consistência para cada
argamassa. Em seguida foram moldados 9 corpos-de-prova cilíndricos, de 50 mm
de diâmetro por 100 mm de altura, para cada combinação, para os ensaios de
resistência à compressão nas idades, de 3, 7 e 28 dias. Após a moldagem os
corpos-de-prova foram mantidos nos moldes durante 24 horas, à temperatura
ambiente, com a face superior protegida por placas de acrílico. Decorrido este
tempo, deu-se a desmoldagem e os corpos-de-prova foram mantidos imersos em
água saturada de cal até a idade de ensaio. A Figura 4.20 ilustra a moldagem dos
corpos-de-prova de argamassa.
(a)
(b)
(c)
Figura 4.20 – Moldagem de corpo-de-prova de argamassa (a), (b) e (c).
Para o ensaio de resistência à compressão as amostras foram
capeadas com uma mistura de enxofre e cimento, aquecida à temperatura de
136oC ± 7oC, com uma espessura máxima admissível de 2 mm, e ensaidas
conforme as recomendações da NBR 7215 (1996) e sugestões do MT-3 (ABCP,
2000). A Figura 4.21 apresenta corpos-de-prova de argamassa com 10% de
metacaulinita.
76
Figura 4.21 – Corpos-de-prova de argamassa contendo 10% de metacaulinita.
4.8. ENSAIOS EM CONCRETO
O proporcionamento dos materiais para a confecção de corpos-deprova de concreto de alto desempenho foi uma das etapas mais importantes do
programa experimental. Optou-se por um método híbrido de dosagem, baseado
nos métodos de dosagem de concreto de alto desempenho propostos por O’Reilly
(1998) e Aïtcin (1998). Desta forma, determinou-se inicialmente a composição
ótima de agregados proposta por O’Reilly (1998). A incorporação dos aditivos,
com as devidas correções, foi feita de acordo com Aïtcin (19998).
Todos os procedimentos empregados durante a confecção dos corposde-prova basearam-se nas técnicas e equipamentos já utilizados na produção dos
concretos convencionais e que apresentaram-se condizentes com os estudos
citados no Capítulo 2.
4.8.1. Dosagem de concreto de alto desempenho
A determinação da composição ótima dos concretos sem e com
adições minerais, seguiu os seguintes procedimentos:
77
•
Determinação pelo método experimental da relação ótima da mistura
de areia e agregado graúdo (45% de areia e 55% de brita);
•
Determinação da quantidade de água necessária para obter a
consistência requerida da mistura de concreto, por meio de traços de concretos
experimentais. A consistência do concreto, medida pelo abatimento do tronco de
cone (NBR NM 67, 1998) foi fixada em 500 mm ± 100 mm;
•
Determinação da característica “A”* do agregado granítico;
•
Determinação do consumo de cimento Portland, para a resistência
aos 28 dias de 40 MPa;
•
Determinação da quantidade de aditivos, com as devidas correções.
Ao final dos procedimentos de dosagem, o método propõe uma relação
água/cimento de 0,40, com dosagens de água e cimento iguais a 150 kg/m3 e 375
kg/m3, respectivamente. O superplastificante (dosagem de 2% da massa de
cimento) foi adicionado em sua forma diluída, sendo corrigida a água.
Considerou-se nos cálculos 1% da massa do concreto composta de ar
incorporado. As dosagens de areia e brita foram de 848 kg/m3 e 1036 kg/m3,
respectivamente. Os passos de dosagem encontram-se descritos, de forma
detalhada, no Anexo B.
A Tabela 4.13 apresenta os valores finais do proporcionamento dos
concretos. As adições minerais substituíram parte do cimento utilizado no
concreto de referência. Foram determinadas composições com 5%, 10% e 15%
de metacaulinita e 10% de sílica ativa, valores normalmente adotados em
pesquisas envolvendo metacaulinita e sílica ativa (conforme Capítulo 3).
*
Coeficiente que expressa a influência da qualidade da brita no concreto.
78
Tabela 4.13 – Composição dos concretos.
Cimento Pozolana
(kg)
(kg)
Referência
12,00
–
SA* 10%
10,80
1,20
MTC 05%
11,40
0,60
MTC 10%
10,80
1,20
MTC 15%
10,20
1,80
Mistura
Areia
(kg)
27,14
26,99
27,07
27,01
26,94
Brita
(kg)
33,17
32,93
33,01
33,01
32,93
SP
(ml)
1071
1071
1071
1071
1071
Água
(ml)
3840
3840
3840
3840
3840
Abatimento
(mm)
60
55
55
50
50
SA – sílica ativa.
4.8.2. Processamento do concreto
Os procedimentos ora descritos foram empregados em todos os
concretos. Para a medição de suas massas os materiais eram homogeneizados
e, após medição, acondicionados em sacos plásticos. A operação de mistura dos
componentes foi realizada em betoneira de eixo inclinado, com capacidade
nominal máxima de 145 litros, com imprimação (traço 1 : 2 : 3, a/c = 0,50). A
ordem de colocação dos componentes na betoneira encontra-se descrita na
Tabela 4.14.
Tabela 4.14 – Ordem de colocação dos materiais na betoneira.
Materiais
Agregado graúdo e 50% da água
Cimento Portland
Agregado miúdo
Aditivos* e 50% da água
Tempo (s)
10
60
180
240
* Nos concretos contendo aditivos minerais estes eram
diluídos em 50% da água de amassamento.
Feita a mistura, determinou-se, para cada concreto, a consistência do
concreto (NBR NM 67, 1998). Em seguida foram moldados corpos-de-prova
cilíndricos, em formas metálicas com 100 mm de diâmetro por 200 mm de altura,
de acordo com as prescrições da NBR 5738 (1994). O método de adensamento
utilizado foi o mecânico, com vibração interna em camada única, promovida por
vibrador elétrico de imersão, com agulha de imersão de 25 mm de diâmetro.
Os corpos-de-prova, em seguida, foram mantidos nos moldes por 24
horas, com a face coberta por placas de acrílico; depois eles foram desmoldados
79
e conduzidos imediatamente para o tanque de cura, onde permaneceram
totalmente imersos em água saturada de cal até a idade dos ensaios de
resistência à compressão (NBR 5738, 1994).
Antes do ensaio de resistência à compressão, os corpos-de-prova
foram capeados com mistura de enxofre e cimento (NBR 5738, 1994; NM 77:96,
1996), procurando-se obter espessuras de capeamento menores que 3 mm. A
resistência à compressão foi determinada (NBR 5739, 1994) nas idades de 3, 7,
28 e 91 dias, utilizando 3 corpos-de-prova para cada idade, através da
compressão das amostras em uma prensa hidráulica de compressão Soiltest
(Figura 4.23), com capacidade máxima de 120 toneladas força (200 kgf/divisão) e
uma velocidade de carregamento de 0,5 a 1 MPa por segundo. As idades para
realização dos ensaios foram estabelecidas em função das condições materiais e
de tempo disponíveis, procurando-se adotar idades comumente utilizadas em
análises do comportamento do concreto
(a)
(b)
Figura 4.22 – Ensaio de resistência à compressão. Capeamento de corpo-de-prova (a) e
corpo-de-prova na prensa de ensaio (b).
Os ensaios de resistência à compressão foram realizados sob controle
rigoroso, levando-se em consideração que, todos os procedimentos, desde a
confecção dos corpos-de-prova até a ruptura propriamente dita, foram executados
por uma só pessoa. A maioria das amostras apresentou, após a ruptura, a forma
de dois cones opostos, como mostrado na Figura 4.24. Este fato, como apontado
por com Aïtcin (1998) indica que a ruptura aconteceu sob de forma normal. Uma
vez que o corpo-de-prova é ensaiado a uma carga de compressão uniaxial, seu
80
diâmetro aumenta na direção perpendicular ao carregamento, mas ao mesmo
tempo, desenvolvem-se tensões devido ao atrito entre as extremidades do corpode-prova e os dois pratos da prensa de ensaio, impedindo qualquer deslocamento
nessas áreas onde o concreto está confinado. Essas tensões decorrentes do
atrito, que tendem a contrabalançar a expansão horizontal natural, criam zonas
horizontais de tensões de compressão nas duas extremidades, as quais são
responsáveis pela forma cônica da ruptura (Thaulow apud Aïtcin, 1998).
(a)
(b)
Figura 4.23 – Aspecto dos corpos-de-prova após o ensaio de resistência à compressão.
Amostra com 15% de metacaulinita rompida aos 91 dias (a); amostra com 10% de sílica
ativa rompida aos 28 dias (b).
81
5. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DE RESULTADOS
Neste Capítulo serão apresentados os resultados obtidos nos ensaios
de compatibilidade entre o cimento e o superplastificante, pozolanicidade e de
resistência à compressão em argamassas e concretos. Para garantir a validade
das considerações experimentais os dados foram ratificados estatisticamente (ET25/ABCP, 1990), com o uso de 3 exemplares da amostra por variável analisada.
Para verificar a variabilidade das médias entre os grupos e a variabilidade das
observações dentro dos grupos utilizou-se análise de variância, com nível de
significância de 0,05, e teste de Duncan (Gomes, 1990).
5.1 COMPATIBILIDADE ENTRE O CIMENTO E O SUPERPLASTIFICANTE
Um dos principais objetivos deste trabalho é verificar a possibilidade de
produção de concreto de alto desempenho utilizando materiais disponíveis em
Campos dos Goytacazes. Desta forma, são apresentados os resultados de
ensaios de compatibilidade entre o cimento Portland CP II E 32 e o
superplastificante a base de melamina-formaldeído, através da Tabela 5.1.
Tabela 5.1 – Resultados dos ensaios de compatibilidade cimento-superplastificante.
Tempo
(min)
10
30
45
60
85
Área de espalhamento (cm 2) para os teores de superplastificante
SP – 0%
SP – 1%
SP – 2%
SP – 3%
36,76
215,67
305,35
315,17
35,54
212,95
298,89
311,88
35,54
212,95
300,50
311,88
36,76
210,25
298,89
308,61
34,35
210,25
295,68
311,88
82
Pode-se observar claramente, através da Figura 5.1, que a adição de
superplastificante à pasta de cimento aumenta consideravelmente a fluidez da
mistura, para todos os teores de adição de superplastificante verificados. O
aumento da área de espalhamento, quando adicionou-se 1% de superplastificante
à pasta, foi de cerca de 500% para a adição de 1% de superplastificante. Para os
teores de 2% e 3% o aumento foi superior a 700%, em relação à pasta sem
superplastificante. Como aumento relativo da área de espalhamento para as
dosagens de 2% e 3% é pequeno (aproximadamente 4%), o percentual de 2%,
em relação à massa de material aglomerante, será utilizado em todos os traços
de concreto.
Ressalta-se que os ensaios de espalhamento em pastas de cimento
apresentam apenas uma indicação acerca do desempenho da compatibilidade
entre o cimento e o superplastificante em concreto. Observa-se, em geral, que o
efeito fluidificante na pasta é mais significativo do que no concreto.
T = 23oC
2
)
350
Área de espalhamento (cm
300
250
200
150
100
50
0
0
20
40
60
80
100
Tempo (min)
SP - 0%
SP - 1%
SP - 2%
SP - 3%
Figura 5.1 – Resultados dos ensaios de compatibilidade.
Como não houve perda de fluidez nas pastas contendo aditivo, como
pode ser observado na Figura 5.1, durante o período total de ensaio, para as
dosagens testadas o cimento composto e o superplastificante podem ser
considerandos compatíveis.
83
Na Figura 5.2 observa-se, através de um experimento muito simples e
ilustrativo, proposto por Aïtcin (1998), a tendência de floculação dos grãos de
cimento em água (béqueres da direita) e a eficiência do aditivo a base de
melamina-formaldeído para deflocular os grãos de cimento (béqueres da
esquerda). Após 15 minutos da homogeneização das soluções uma grande parte
do cimento, misturado somente com água, havia decantado. Para o mesmo
período de tempo não foram observadas, visualmente, diferenças na solução
contendo superplastificante.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 5.2 – Decantação do cimento Portland em água (provetas à direita) e cimento
Portland em água com superplastificante (provetas à esquerda) após: 30 segundos da
mistura (a); após 1 minuto (b); após 5 minutos (c); e após 15 minutos (d).
Após as 24 horas, observou-se que a solução com superplastificante
apresentava ainda partículas de cimento em suspensão, enquanto que na mistura
cimento-água o cimento encontrava-se totalmente decantado (Figura 5.3).
84
(a)
(b)
Figura 5.3 – Decantação do cimento Portland em água (proveta à direita) e cimento
Portland em água com superplastificante (proveta à esquerda) após 24 horas (a); detalhe
do volume das partículas decantadas (b).
5.2. ÍNDICE DE ATIVIDADE POZOLÂNICA
Nos ensaios de índice de atividade pozolânica com cimento Portland foi
verificada a influência do tipo de pozolana utilizada. A partir da definição da
matéria-prima, determinou-se, através dos resultados de pozolanicidade, a
temperatura ideal de queima e a finura da metacaulinita que, dentre as duas
testadas, apresentou os melhores resultados.
Para
a
comparação
das
matérias-primas
foram
ensaiadas
metacaulinitas com temperaturas de queima de 650oC, 750oC e 850oC. Pode-se
observar que, para as três temperaturas testadas a metacaulinita, produzida a
partir da amostra 2, apresentou os melhores resultados. Os valores obtidos para a
pozolana da amostra 1 não apresentaram diferenças significativas, ao nível de 5%
de probabilidade (Tabela 5.2 e Figura 5.4), em relação à temperatura de queima,
estando em torno do limite inferior estabelecido pela NBR 5752 (1992). Para a
amostra de pozolana produzida a partir do solo 2, os valores são significativos,
apresentando à 650oC melhor desempenho. Devido ao maior percentual de argila
presente na matéria-prima da amostra 2 os resultados são coerentes com a
bibliografia pesquisada. Desta forma, esta amostra foi utilizada, exclusivamente,
como matéria-prima para a produção da metacaulinita. A partir deste ponto,
85
qualquer menção à metacaulinita neste trabalho será referida ao aditivo produzido
a partir do solo 2, contendo 88% de argila.
Tabela 5.2 – Valores médios de resistência à compressão e índice de atividade
pozolânica com cimento Portland.
Resistência à
Índice de atividade
compressão (MPa)
pozolânica (%)
24,5 (a)*
74,9
25,0 (a)*
76,5
24,7 (a)*
75,5
30,6 (b)*
93,6
27,7 (c)*
84,7
28,0 (c)*
85,6
Pozolana
Amostra 1
Amostra 2
MTC 650
MTC 750
MTC 850
MTC 650
MTC 750
MTC 850
* Médias seguidas da mesma letra não apresentam diferenças significativas
segundo o Teste de Duncan (p [ 0,05).
Índice de atividade pozolânica
(%)
100
93,6
90
80
85,6
84,7
76,5
74,9
75,5
70
60
50
650
750
850
o
Temperatura de queima ( C)
MTC - amostra 1
MTC - amostra 2
Figura 5.4 – Índices de atividade pozolânica com cimento Portland para os aditivos
minerais produzidos a partir das amostras 1 e 2.
No intuito de avaliar a influência da finura no desempenho da
metacaulinita em diferentes temperaturas de queima foram realizados ensaios
com metacaulinitas produzidas a diversas temperaturas para as duas finuras
(material passante nas peneiras de malhas 250µm e 75 µm), conforme a Tabela
5.3 e as Figuras 5.5 e 5.6. Para avaliação do comportamento do material próximo
das temperaturas de desidroxilação e recristalização dos compostos argilosos,
foram confeccionadas argamassas com temperaturas de queima de 550oC e
950oC, além das utilizadas anteriormente. Nesta etapa, os índices de atividade
86
pozolânicas das metacaulinitas são comparados com o índice obtido para a sílica
ativa.
Tabela 5.3 – Valores médios de resistência à compressão e índice de atividade
pozolânica com cimento Portland.
Resistência à
compressão (MPa)
19,2 (a)*
24,6 (b)*
23,6 (c)*
23,5 (c)*
20,6 (d)*
28,5 (e)*
30,6 (f)*
27,7 (g)*
28,0 (g)*
25,0 (h)*
30,1 (f)*
Peneira de
75 µm
Peneira de
250 µm
Pozolana
MTC 550
MTC 650
MTC 750
MTC 850
MTC 950
MTC 550
MTC 650
MTC 750
MTC 850
MTC 950
Sílica ativa
Índice de atividade
pozolânica (%)
58,7
75,2
72,2
71,9
63,0
87,2
93,6
84,7
85,6
76,5
92,0
* Médias seguidas da mesma letra não apresentam diferenças significativas
segundo o Teste de Duncan (p [ 0,05).
Índice de atividade pozolânica
(%)
100
92,0
90
80
75,2
72,2
71,9
70
63,0
60
58,7
50
Pozolanas
MTC 550
MTC 650
MTC 750
MTC 850
MTC 950
SA
Figura 5.5 – Índices de atividade pozolânica com cimento Portland para metacaulinita
(material que passa na peneira de malha 250 µm).
87
100
Índice de atividade pozolânica
(%)
93,6
90
87,2
92,0
84,7
85,6
80
76,5
70
60
50
Pozolanas
MTC 550
MTC 650
MTC 750
MTC 850
MTC 950
SA
Figura 5.6 – Índices de atividade pozolânica com cimento Portland para metacaulinita
(material que passa na peneira de malha 75 µm).
Analisando os resultados dos índices de atividade pozolânica, observase que as pozolanas peneiradas na malha de 250 µm apresentam índices
inferiores ao limite de 75%, estabelecido pela NBR 5752 (1992), exceto para a
temperatura de queima de 650oC. De acordo com esta norma, estas pozolanas
seriam consideradas de baixíssima reatividade.
Para as metacaulinitas com finura de 1,70% na peneira 325 (45 µm),
peneiradas na malha 75 µm, todos os índices obtidos apresentam valores
superiores ao limite. Este fato comprova a influência da finura do aditivo em sua
atividade pozolânica. A temperatura de queima de 650oC é, também para esta
finura, a que apresenta o melhor resultado, não revelando, inclusive, diferenças
significativas com relação ao índice de atividade obtido para a sílica ativa.
Vale ressaltar, que a metodologia apresenta relação água/aglomerante
variável, pois fixa a consistência e a controla através da adição de água na
mistura. Esta variação da relação água/aglomerante pode explicar os valores de
resistência apresentados pela sílica ativa. É de se esperar que se a relação
água/aglomerante das misturas fosse fixa o índice da sílica ativa, pozolana
altamente reativa, apresentasse maior valor.
88
A queda das resistências das argamassas contendo metacaulinita a
950oC pode ser atribuída ao início da decomposição da metacaulinita em um
espinélio Al/Si (espinélio misto), que seria a fase cristalina precursora da mulita,
conforme pode ser observado nas equações abaixo, descritas em Souza Santos
(1992 b). De acordo com o autor com a formação dos compostos cristalinos acima
de 900oC não há atividade pozolânica.
o
o
950 C − 980 C
2 [Si2Al2O7] 
 → 2Al2O3.3SiO2 + SiO2
(metacaulinita)
(espinélio Al/Si)
o
(5.1)
(sílica)
o
1200 C −1225 C
3 [Si3Al4O12] 

→ 2 [3Al2O3.2SiO2] + 5SiO2
(espinélio Al/Si)
(mulita)
(5.2)
(cristobalita)
5.2. ARGAMASSAS
Os resultados das resistência das argamassas com metacaulim estão
apresentados na Tabela 5.4. A influência do teor de substituição parcial do
cimento pela pozolana pode ser analisado na Figura 5.7.
89
Tabela 5.4 – Resistência à compressão das argamassas com relação água/aglomerante
de 0,52.
Idade
(dias)
3
7
28
Resistência à compressão (MPa)
Referência
MTC 10%
MTC 15%
22,4 (a)*
25,3 (b)*
27,9 (c)*
27,7 (c)*
36,5 (d)*
38,4 (e)*
30,8 (e)*
41,1 (f)*
42,4 (f)*
MTC 20%
26,9 (c)*
36,6 (d)*
40,6 (f)*
* Médias seguidas da mesma letra não apresentam diferenças significativas segundo o
Teste de Duncan (p [ 0,05).
45
Resistência à compressão (MPa)
42,4
41,1
40,6
40
35
30,8
30
25
20
0
5
10
15
20
25
30
Tempo de cura (dias)
MTC 10%
MTC 15%
MTC 20%
Referência
Resistência à compressão (MPa)
45,0
40,0
35,0
30,0
25,0
20,0
3
7
28
Tempo de cura (dias)
MTC 10%
MTC 15%
MTC 20%
Referência
Figura 5.7 – Resistência à compressão de argamassas contendo metacaulinita.
90
Observa-se que para o cimento Portland e a relação água/aglomerante
utilizados todos os teores de metacaulinita apresentaram resistências à
compressão superiores à argamassa de referência. Não foram observadas
diferenças significativas entre os teores nas idades verificadas. Observa-se que
aos 28 dias as médias obtidas para os três teores são estatisticamente iguais, ao
nível de 5% de significância.
Para as argamassas o desenvolvimento de resistência é mais
acentuado até os 7 dias. Nas argamassas contendo pozolana, verificou-se um
aumento de cerca de 40% nas resistências entre os 3 dias e 7 dias. Dos 7 dias
aos 28 dias o aumento foi de aproximadamente 11%. Para a argamassa de
referência
os
aumentos
observados
nos
mesmos
períodos
foram,
respectivamente, de 23% e 11%. Desta forma o efeito das reações pozolânicas e
de aceleração das reações de hidratação do cimento, proporcionado pela
utilização deste aditivo, pode ser revelado, principalmente até os 7 dias. O efeito
microfíler, de ação imediata, também contribui para as maiores resistências
obtidas para as argamassas contendo metacaulinita.
5.3. CONCRETOS DE ALTO DESEMPENHO
Os resultados dos ensaios de compressão axial em concretos
encontram-se descritos na Tabela 5.5.
Tabela 5.5 – Resistência à compressão dos concretos.
Idade
(dias)
3
7
28
90
Referência
34,3 (a)*
38,1 (f)*
46,2 (i)*
48,3 (d)*
Resistência à compressão (MPa)*
MTC 5%
MTC 10%
MTC 15%
35,7 (b)*
41,1 (c)*
48,9 (d)*
40,4 (c)*
52,2 (g)*
57,1 (h)*
48,6 (d)*
58,9 (j)*
61,8 (k)*
53,2 (m)*
61,5 (k)*
69,4 (n)*
SA 10%
43,4 (e)*
48,6 (d)*
64,5 (l)*
71,9 (o)*
* Médias seguidas da mesma letra não apresentam diferenças significativas segundo o Teste de
Duncan (p [ 0,05).
Assim como para as argamassas, observa-se aumentos de resistência
à compressão em todos os concretos contendo pozolanas, para os teores
91
verificados. Observa-se, pela Figura 5.8, nas primeiras idades aumentos maiores
que 20% na resistência de concretos com teores de 10% e 15% de metacaulinita
e 10% de sílica ativa, em substituição parcial de cimento Portland, quando em
comparação com o concreto de referência.
De acordo com o teste de Duncan, com 5% de probabilidade, as
médias de um mesmo concreto diferem significativamente entre si. O mesmo
ocorre para uma mesma idade, ou seja, todos os teores testados apresentam
diferenças estatísticas nas diversas idades de ensaios.
Resistência à compressão (MPa)
80
71,9
69,4
70
61,5
60
53,2
50
48,3
40
30
0
20
40
60
80
100
Tempo de cura (dias)
MTC 05%
MTC 10%
MTC 15%
SA 10%
referência
92
80
Resistência à compressão (MPa)
70
60
50
40
30
20
3
7
28
91
Tempo de cura (dias)
MTC 5%
MTC 10%
MTC 15%
SA 10%
Referência
Figura 5.8 – Resistência à compressão de concretos de alto desempenho.
Comparando os valores médios de resistência, o teor de substituição
de 5% de metacaulinita foi o que apresentou o menor acréscimo de resistência,
dentre os concretos com aditivos. Com o aumento do teor de substituição de
cimento por metacaulinita, aumenta-se a resistência do concreto. Até os 7 dias de
cura, os concretos com 10% e 15% de metacaulinita apresentaram resistências
superiores às obtidas para a sílica ativa. Este fato pode ser atribuído à aceleração
das reações de hidratação do cimento Portland (Curcio et al., 1998) e a rápida
capacidade de reação da metacaulinita com o hidróxido de cálcio (Zhang e
Malhotra, 1995).
Pode-se considerar que a contribuição da metacaulinita e da sílica ativa
à resistência à compressão dos concretos, quando em substituição parcial do
cimento Portland, pode ser atribuída a três fatores: efeito microfíler, aceleração
das reações de hidratação do cimento e reações pozolânicas dos aditivos
minerais.
O efeito microfíler é imediato, e acarreta a densificação do concreto,
reduzindo o tamanho dos poros, tornando a matriz mais compacta. A ação de
nucleação proporcionada pelas partículas finas das pozolanas acelera as reações
93
de hidratação do cimento é também provável responsável pelas taxas de
crescimento da resistência nos primeiros dias de cura. Com a formação dos
compostos hidratados se iniciam as reações pozolânicas. Conforme pode-se
observar na Figura 5.8, quanto maior o teor de metacaulinita utilizado, maiores
são as resistências obtidas.
Os corpos-de-prova contendo aditivos apresentaram rupturas frágeis
com formação de cones, evidenciando um comportamento típico de uma material
homogêneo, com a superfície de ruptura atravessando totalmente os agregados
(Figura 5.9). Isto comprova a alta resistência da pasta de cimento e a boa
aderência entre o agregado graúdo e a pasta. Segundo Neville (1997), o menor
desenvolvimento de microfissuras nos concretos de alto desempenho reduz a
possibilidade de uma redistribuição de tensões no material frente a um incremento
de carga, que conduz, finalmente, a uma ruptura frágil do corpo-de-prova de
concreto.
(a)
(b)
Figura 5.9 – Corpo-de-prova contendo 10% de metacaulinita após ensaio de resistência
à compressão, aos 28 dias (a); Detalhe da superfície de ruptura atravessando totalmente
os agregados (b).
94
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Após a revisão bibliográfica realizada para o desenvolvimento deste
trabalho e a partir da seqüência metodológica apresentada com os resultados, é
possível
a
exposição
de
algumas
considerações
acerca
dos
objetivos
previamente definidos. As conclusões expostas neste trabalho não devem ser
tomadas de forma absoluta, pois referem-se somente aos dados obtidos de
concretos e argamassas que utilizaram materiais específicos e técnicas próprias
de execução.
6.1. CONCLUSÕES
A partir dos resultados de ensaios de caracterização dos materiais e de
ensaios mecânicos em argamassas e concretos, pode-se enumerar as seguintes
conclusões:
•
Com materiais disponíveis no município de Campos dos Goytacazes é possível
a confecção de concretos com resistência à compressão aos 28 dias de até 70
MPa, com técnicas usuais de produção e cura;
•
A substituição de cimento Portland por metacaulinita mostrou-se efetiva para fins
de elevação da resistência à compressão de concretos e argamassas. As
substituições de 10% e 15% apresentaram aumento, comparativamente ao
concreto de referência, de aproximadamente 30% na resistência aos 28 dias.
Tanto
o
desempenho
da
pozolana
em
argamassas,
sem
adição
de
superplastificantes, quanto em concretos com relação água/aglomerante de 0,40
(contendo 2% de superplastificante, em massa), foram satisfatórios;
95
•
A metacaulinita verificada apresenta propriedades pozolânicas e de microfíler
que justificam sua utilização como pozolana em concretos e argamassas de alto
desempenho, proporcionando a obtenção de materiais com características
tecnológicas diferenciadas, superiores em alguns aspectos, aos próprios cimentos
Portland não aditivados. Efetivamente, quando substituindo parcialmente o
cimento, a metacaulinita permite superar alguns dos principais inconvenientes do
cimento Portland, principalmente aqueles relacionados com o alto pH e o calor de
hidratação. Além disso, proporciona aos concretos e argamassas resistências
mecânicas superiores e maior durabilidade quando expostos a ambientes
agressivos;
•
Apesar da necessidade de mais ensaios, o índice de atividade pozolânica
parece ser um indício de que a atividade química da metacaulinita aumenta
conforme aumenta a quantidade de argilomineral no solo;
•
A reatividade do argilomineral caulinita está intimamente associada à formação
de metacaulinita, fase de elevada desordem cristalina, amorfa aos raios-X. Os
experimentos sugerem temperaturas próximas à 650oC como as mais adequadas
para a ativação desses materiais, mostrando concordância com dados da
literatura. Ressalta-se que esses valores de temperatura preconizados referem-se
as condições experimentais adotadas e, por conseguinte, devem ser aceitos
como valores orientativos.
Finalizando, vale destacar que em função da vasta ocorrência de
jazimentos argilosos no Brasil e de suas características, particularmente no que
diz respeito a reatividade, a metacaulinita apresenta-se como uma alternativa de
uso como adição mineral ao cimento Portland pozolânico e como substituição ao
cimento em concretos e argamassas de alto desempenho.
96
6.2. SUGESTÕES DE FUTURAS PESQUISAS
Neste trabalho avaliou-se o comportamento do concreto através de
ensaios de resistência à compressão. Estudos mais detalhados de suas
propriedades mecânicas subsidiarão uma avaliação mais precisa da influência da
metacaulinita no concreto.
Destaca-se ainda a importância de investigações de pozolanas
produzidas a partir de outros solos argilosos encontrados no município, visandose a produção de novos aditivos minerais.
A investigação do mecanismo de reação pozolânica da metacaulinita,
utilizando-se técnicas de difração de raios-X, análise térmica diferencial e
termogravimétrica, pode contribuir para a incorporação deste material na indústria
do cimento e na confecção de argamassas e concretos. Neste contexto, o estudo
microestrutural de pastas hidratadas, com o auxílio da microscopia eletrônica de
varredura, também é recomendado.
Uma outra recomendação associa-se a investigações sobre o
aproveitamento dos resíduos cerâmicos produzidos na região para a produção de
pozolanas. Vale ressaltar que a priori este material elimina a etapa de queima,
influenciando consideravelmente no custo de produção de um aditivo mineral.
Além disso, a reciclagem destes resíduos elimina os problemas ambientes de
disposição (Cordeiro et al., 2001)
97
ANEXO A – Aditivos Minerais
98
1. CINZA VOLANTE
A cinza volante, também conhecida como cinza volante pulverizada, é
a cinza obtida por precipitação mecânica ou eletrostática dos gases de exaustão
de estações alimentadas por carvão, principalmente das Usinas Termoelétricas,
onde há queima de carvão mineral para produção de energia elétrica (Neville,
1997; Mehta e Monteiro, 1994).
Devido a grande disponibilidade, é o aditivo mineral mais utilizado em
todo mundo, substituindo parte do clínquer, na fabricação do cimento composto,
e/ou parte do cimento na confecção de concretos e argamassas. As
características da cinza volante variam em função do tipo de carvão utilizado, do
tipo de forno, da temperatura do forno e da forma como é coletada (Calleja, 1983;
Gava, 1999). Devido ao grande número de fatores que interferem na sua
produção, a cinza volante é um produto que apresenta grande variabilidade de
suas propriedades.
Em função do tipo de carvão que a origina, a cinza pode ser
classificada em duas categorias distintas, conforme a NBR 12653 (1992): cinza
volante classe C (classe F, pela ASTM C 618, 1995), com baixo teor de cálcio
(menos de 10% de CaO), proveniente da queima de carvão betuminoso; cinza
volante classe E (classe C, ASTM C 618, 1995), obtida pela queima do carvão
sub-betuminoso e rica em cálcio.
Comparado às cinzas com baixo teor de cálcio, a variedade da classe
E é em geral mais reativa, pois contém a maior parte do cálcio em compostos
reativos (Mehta e Monteiro, 1994).
A finura da cinza tem significativa influência nas propriedades do
concreto. A redução da resistência à compressão pode estar associada ao
aumento da finura da cinza volante, conforme a Figura 3.11 (Massazza, 1993).
99
Resistência à compressão (MPa)
80
07 µm
10 µm
60
20 µm
40
28 µm
46 µm
20
0
0
30
60
90
120
Tempo de cura (dias)
Figura A.1 – Resistência à compressão de argamassas com cinzas volantes com vários
diâmetros médios de partículas (Massazza, 1993).
Resultados experimentais apontam para a redução da permeabilidade
a cloretos em concretos contendo cinza volante (Haque e Kayyali, 1995). Uma
das principais influências da cinza volante se faz sobre a trabalhabilidade e
demanda de água do concreto. De acordo com Neville (1997) para uma mesma
trabalhabilidade, a redução de água devida à cinza volante é, geralmente, 5% a
15%, em relação a uma mistura com cimento Portland sem adições. A resistência
à compressão de concretos com cinza volante está intimamente ligada aos
métodos de cura empregados, conforme apontam os estudos de Ramezanianpour
e Malhotra (1995). Utilizando substituições parciais de cimento por cinza volante,
sílica ativa e escória de alto-forno, em diversos métodos de cura, as maiores
variações
de
resistência
à
compressão
aconteceram
nos
concretos
confeccionados com cinza volante.
2. ESCÓRIA GRANULADA DE ALTO-FORNO
A escória de alto-forno é o subproduto da manufatura de ferro-gusa em
alto-forno. Quando a escória é resfriada lentamente ocorre uma cristalização
principalmente na forma da melilita. Nesta forma, ela pode ser utilizada como
agregado, mas não tem, mesmo com elevada finura, valor hidráulico. Contudo, se
o resfriamento ocorrer bruscamente a escória se solidifica numa forma vítrea e
100
pode então desenvolver propriedades cimentícias, se adequadamente moída e
ativada (Aïtcin, 1998; Neville, 1997; Shi e Qian, 2000). A escória se desintegra,
durante o resfriamento brusco em água, em pequenas partículas como areia
grossa, sendo portanto, chamada de escória granulada. Também pode ser
resfriada pela ação combinada da água e do ar, formando a escória peletizada.
Como a escória é produzida ao mesmo tempo em que o ferro-gusa, o
controle da produção assegura uma variabilidade baixa de sua composição
química (Neville, 1997). Sendo assim, o grau de vitrificação (ou amorfização) da
escória deve ser verificado cuidadosamente, pois suas propriedades hidráulicas
estão intimamente ligadas a esta característica.
Idorn apud Neville (1997) aponta os vários efeitos benéficos da
incorporação deste material cimentício suplementar ao concreto. São eles: melhor
trabalhabilidade do concreto fresco; desprendimento mais lento de calor;
eliminação do risco de reação álcali-agregado. Vários estudos comprovam estas
melhorias (Ramezanianpour e Malhotra, 1995; Gastaldini e Isaia, 1999; Shi e
Qian, 2000). A liberação progressiva dos álcalis pela escória de alto-forno,
juntamente com a formação do hidróxido de cálcio pelo cimento, resulta uma
reação continuada da escória ao longo do tempo. Isto acarreta um aumento de
resistência a longo prazo, conforme ilustra a Figura 3.12 (Hogan e Meusel, 1981).
101
Resistência à compressão (MPa)
80
60
40
20
0
1
10
100
1000
Idade (dias)
Escória - 0%
Escória - 40%
Escória - 50%
Escória - 65%
Figura A.2 – Evolução da resistência à compressão do concreto com vários teores de
escória de alo forno em massa do total de material cimentício (Hogan e Meusel, 1981).
A escória pode ser misturada com o cimento depois da moagem do
clínquer ou junto com o clínquer, ou então, adicionada à mistura como material
cimentício suplementar. No Brasil os cimentos CP II – E e CP III têm a escória de
alto formo em sua composição, com adições de 6% – 34% e 35% – 70%, da
massa total, respectivamente (BT-106/ABCP, 1999).
3. CINZA DE CASCA DE ARROZ
A cinza da casca de arroz é o material resultante da queima da casca
de arroz, normalmente realizada pelas indústrias de beneficiamento do cereal
para geração de calor e vapor necessários para os processos de secagem e
parboilização dos grãos. Durante a combustão da casca de arroz, a lignina e
celulose (aproximadamente 80% da casca) são removidas, restando portanto,
uma estrutura celular porosa, com alta área específica e grande quantidade de
sílica (Gava, 1999).
A cinza gerada durante a queima a céu aberto ou pela combustão não
controlada em fornos industriais, geralmente contém grande proporção de
minerais de sílica não reativos, como cristobalita e tridimita, e deve ser moída a
102
tamanhos de partículas muito finas, para que adquira atividade pozolânica. Por
outro lado, uma cinza de casca de arroz altamente reativa pode ser obtida pela
combustão controlada, quando então a sílica é mantida amorfa (Mehta e
Monteiro, 1994).
De acordo com Al-Khalaf e Yousift (1984) a temperatura de queima e o
tempo de exposição são os principais fatores a serem controlados para a
obtenção de cinza de casca de arroz contendo sílica reativa com alta atividade
pozolânica. Os autores verificaram que acima de 700oC a cinza apresenta sílica
em forma cristalina, com baixa reatividade.
Malhotra e Mehta (1996) apontam para uma redução considerável na
permeabilidade de concretos pelo uso de cinza de casca de arroz. Zhang e
Malhotra (1996) mostram que a substituição de cimento por cinza de casca de
arroz (10%, em massa) em um concreto de referência requer uma quantidade
maior de aditivo superplastificante, para uma mesma trabalhabilidade (Figura
3.13). Eles atribuem a isto a elevada superfície específica e o alto teor de carbono
do aditivo utilizado.
Relação água/aglomerante = 0,40
CCA - cinza de casca de arroz
Resistência à compressão (MPa)
60
50
40
30
20
10
0
0,1
1
10
100
Idade (dias)
CCA - 0%
CCA - 10%
CCA - 15%
Figura A.3 – Desenvolvimento da resistência à compressão de concretos com diferentes
teores de cinza de casca de arroz em substituição ao cimento (Zhang e Malhotra, 1996).
103
ANEXO B – Dosagem do Concreto
104
A dosagem foi realizada de acordo com os métodos propostos por
O’Reilly (1998) e Aïtcin (1998) para uma resistência aos 28 dias de 40 MPa e uma
consistência de 500 mm ± 100 mm.
1. DETERMINAÇÃO DA COMPOSIÇÃO ÓTIMA DOS AGREGADOS
A composição dos agregados foi determinada de forma que a mistura
apresentasse o percentual mínimo de vazios, isto é, percentuais de agregado
graúdo e agregado miúdo que apresentassem maior massa unitária compactada,
conforme NBR 7810 (1983).
Na determinação da porcentagem mínima de vazios foram ensaiadas
misturas areia : brita, com as seguintes proporções em massa: 35 : 65; 40 : 60; 45
: 55; 50 : 50; 55 : 45; 60 : 40. Os cálculos basearam-se nas seguintes equações:
PV =
m m − m um
⋅ 100
mm
(B.1)
mm =
m a ⋅ PA + m b ⋅ PB
100
(B.2)
Onde:
PV: percentual de vazios;
mm: massa específica da mistura;
mum: massa unitária compactada (NBR 7810, 1983) da mistura;
ma: massa específica da areia;
mb: massa específica da brita;
PA: percentual de areia na mistura;
PB: percentual de brita na mistura.
Observa-se, na Figura B.1, que para a mistura contendo 45% de areia
e 55% de brita alcançou-se o menor percentual de vazios.
105
Porcentagem de vazios
34
33
32
31
30
29
28
35 : 65
40 : 60
45 : 55
50 : 50
55 : 45
60 : 40
Proporção das misturas (areia : brita)
Figura B.1 – Porcentagem de vazios para as misturas de areia e brita, conforme NBR
7810 (1983).
2. DETERMINAÇÃO DA QUANTIDADE DE ÁGUA
Para a determinação da quantidade de água necessária para a
obtenção do abatimento especificado, vários traços experimentais foram
elaborados, com uma dosagem fixa de cimento de 400 kg/m3 (valor estimado para
uma resistência de 40 MPa).
A incorporação de água considerou sempre que a soma dos volumes
absolutos dos materiais componentes foi de 1 m3. Uma dosagem de 2% (em
relação à massa de cimento) de superplastificante foi usada em todos os traços e
foi admitida uma massa de ar incorporado de 1%. Com a mistura ótima de
agregados, a quantidade de água determinada (150 kg/m3) e dosagem fixa de
cimento foram produzidos 20 litros de concreto e moldados 9 corpos-de-prova
para a determinação da resistência à compressão aos 28 dias. A dosagem deste
concreto e o valor médio de resistência aos 28 dias são apresentados na Tabela
B.1.
106
Tabela B.1 – Materiais constituintes do concreto de teste.
Materiais
Cimento Portland (kg)
Areia (kg)
Brita (kg)
Superplastificante (dm 3)
Água* (dm 3)
Resistência média aos 28
dias (MPa)
Dosagem por m 3
400
838
1025
35,7
118
42,6
* Valor corrigido em função da massa de água presente no
superplastificante (Aïtcin, 1998).
3. DETERMINAÇÃO DA CARACTERÍSTICA “A” DO AGREGADO GRAÚDO
A partir dos valores obtidos experimentalmente foi determinada a
característica “A”, constante que expressa a qualidade da brita no concreto,
mediante:
A=
fccm 28
f cm28
⋅ (m 1 ⋅ v' +m 2 )
(B.3)
Onde:
fcm28: resistência média do concreto aos 28 dias, obtida a partir dos 9
corpos-de-prova (fcm28 = 42,60 MPa);
fccm28: resistência média do cimento aos 28 dias (37,90 MPa);
m1 e
m2: valores tabelados (O’Reilly, 1998) dependentes da
consistência do concreto (para um abatimento de 50 mm, m1 = 4,3239 e m2 =
0,3101);
v’: valor tabelado que depende da relação a/c (v’ = 0,4202).
4. DETERMINAÇÃO DO CONSUMO DE CIMENTO
Após o cálculo da característica “A” do agregado graúdo (A = 0,5284),
determinou-se o consumo de cimento necessário para a consistência e
resistência requeridas, conforme a Equação a seguir:
107
f cd28
− m2
f ccm28 ⋅ A
v=
m1
(B.4)
Onde:
fcd28: resistência desejada do concreto aos 28 dias (fcd28 = 40,0 MPa).
Com o v calculado (v = 0,3902), obtém-se, mediante tabela (O’Reilly,
1998), a relação água/cimento a ser utilizada para a obtenção de 40 MPa aos 28
dias, cujo o valor é 0,40. Com isso a dosagem de cimento foi calculada em 375
kg/m3. O proporcionamento final dos materiais, constituintes do traço de
referência, pode ser observado na Tabela B.2.
Tabela B.2 – Proporcionamento dos materiais do concreto de referência.
Materiais
Cimento Portland (kg)
Areia (kg)
Brita (kg)
Superplastificante (dm 3)
Água* (dm 3)
Dosagem por m 3
375
848
1036
33,48
120
* Valor corrigido em função da massa de água presente no
superplastificante (Aïtcin, 1998).
Para os concretos com aditivos minerais foram feitas substituições em
relação à massa de cimento do concreto de referência, como pode ser observado
na Tabela B.3.
Tabela B.3 - Proporcionamento dos materiais dos concretos com aditivos.
Mistura
SA 10%
MTC 05%
MTC 10%
MTC 15%
Cimento
(kg)
337,50
356,25
337,50
318,75
Pozolana
(kg)
37,50
18,75
37,50
56,25
Areia
(kg)
842
846
844
842
Brita
(kg)
1029
1034
1032
1029
SP
(ml)
33,48
33,48
33,48
33,48
Água*
(ml)
120
120
120
120
* Valor corrigido em função da massa de água presente no superplastificante (Aïtcin, 1998).
108
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