UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS
ESCOLA DE ENGENHARIA CIVIL
IZELMAN OLIVEIRA DA SILVA
INFLUÊNCIA DA CINZA DE CASCA DE ARROZ AMORFA E
CRISTALINA E DA SÍLICA ATIVA NA REAÇÃO ÁLCALIAGREGADO
Goiânia
2007
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IZELMAN OLIVEIRA DA SILVA
INFLUÊNCIA DA CINZA DE CASCA DE ARROZ AMORFA E
CRISTALINA E DA SÍLICA ATIVA NA REAÇÃO ÁLCALIAGREGADO
Dissertação apresentada ao curso de mestrado em
Engenharia Civil da Universidade Federal de Goiás
para obtenção do título de mestre em Engenharia
Civil.
Área de Concentração: Estruturas e Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Enio Pazini Figueiredo
Co-Orientador: Prof. Dr. João Henrique Rêgo
Goiânia
2007
Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação (CIP)
(GPT/BC/UFG)
S586i
Silva, Izelman Oliveira da.
Influência da cinza de casca de arroz amorfa e cristalina e da
sílica ativa na reação álcali-agregado [manuscrito] / Izelman
Oliveira da Silva. – 2007.
127 f. : il., figs., tabs.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Goiás.
Escola de Engenharia Civil, 2007.
Orientador: Prof. Dr. Enio Pazini Figueiredo; Co-Orientador:
Prof. Dr. João Henrique Rêgo.
Bibliografia: f. 116-127.
Inclui listas de figuras, tabelas e de abreviaturas.
1. Cinza da casca de arroz 2. Concreto – Resíduos industriais
3. Construção civil – Desenvolvimento sustentável 4. Reação
álcali-agregado I. Figueiredo, Enio Pazini II. Rêgo, João Henrique
III. Universidade Federal de Goiás. Escola de Engenharia Civil
IV. Título.
CDU: 666.952
IZELMAN OLIVEIRA DA SILVA
INFLUÊNCIA DA CINZA DE CASCA DE ARROZ AMORFA E
CRISTALINA E DA SÍLICA ATIVA NA REAÇÃO ÁLCALIAGREGADO.
Dissertação defendida no Curso de Mestrado em Engenharia Civil
da Universidade Federal de Goiás, para a obtenção de grau de Mestre,
aprovada em
de
de
, pela Banca
Examinadora constituída pelos seguintes professores:
.
Prof. Dr. Enio Pazini Figueiredo -UFG
Presidente da Banca
.
Prof. Dr. João Henrique da Silva Rêgo -UFG
.
Prof. Dr. Orlando Gomes -UFG
.
Prof. Dr. Geraldo Cechella Isaia -UFSM
.
Profa. Dra. Nicole Pagan Hasparyk -FURNAS S.A
Dedico este trabalho a
vó Dionária, por toda sua dedicação e amor.
AGRADECIMENTOS
Agradeço ao meu orientador Prof. Dr. Enio Pazini Figueiredo, que me abriu a primeira
porta para este curso de mestrado e como meu orientador, contribuiu de forma marcante no
desenvolvimento deste trabalho através da competência e dedicação, mais o maior
agradecimento que tenho é pela amizade construída nestes anos.
Ao meu co-orientador Dr. João Henrique da Silva Rêgo agradeço pelo apoio,
acompanhamento, incentivo, sugestões e comentários ao longo desta pesquisa e por ter me
mostrado o caminho das pedras em certos momentos..
A Dra. Nicole P. Hasparyk me faltam palavras, pois dedicação e amor pela ciência, não são
palavras suficientes para quantificar as valiosas horas gastas com comentários, me
auxiliando e me ajudando com conselhos e sugestões.
Um agradecimento especial a todos os alunos da turma de mestrado do ano de 2005, ao
Raphael (amigo de muito estudo e sofrimento...rs) a certeza de que não importa o estágio da
vida ainda somos capazes de fazer amigos de infância, ao querido amigo Keillon fica a
certeza de que as pessoas se superam, ao grande Ricardo a lembraça de que pessoas
honestas estão ao nosso redor, a ao Wesley...e Wesleyyy..rs, o amigo mais velho,
conselheiro de todos.
Agradeço ao Programa de P & D da ANEEL e a FURNAS Centrais Elétricas pelo
financiamento da pesquisa e todos os seus funcionários que direta ou indiretamente
contribuíram de forma especial através de seus conhecimentos, permitindo assim a
realização deste estudo.
Em especial gostaria de agradecer a alguns colegas de Furnas: Tizzo, Danilo, Cassiano,
Flávio, Alfredo, Reynaldo, William, Marco Aurélio, Luiz, espero não ter me esquecido de
ninguém.
Agradeço ainda aos meus pais pela minha criação, educação e vida e é claro, agradeço a
Deus, pelos meus pais.
Obrigado.
“Eu quero saber como Deus criou este mundo.
Não estou interessado neste ou naquele
fenômeno, no espectro deste ou daquele
elemento. Eu quero conhecer os pensamentos
Dele, o resto são detalhes.”
Albert Einstein
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS
11
LISTA DE FIGURAS
13
ABREVIATURAS
17
RESUMO
17
ABSTRACT
18
1
INTRODUÇÃO
19
1.1
OBJETIVOS
21
1.1.1 Objetivos gerais
21
1.1.2 Objetivos específicos
21
1.2
ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO
22
2
A CINZA DE CASA DE ARROZ E A SÍLICA ATIVA
24
2.1
CONSIDERAÇÕES GERAIS
24
2.2
A CINZA DE CASCA DE ARROZ (CCA)
26
2.2.1 Propriedades da CCA
28
2.2.2 Composição química da CCA
31
2.2.3 Modificações físicas causadas pela CCA
35
2.3
40
A SÍLICA ATIVA (SA)
2.3.1 Propriedades da SA
41
2.3.2 Composição química da SA
44
2.3.3 Modificações físicas causadas pela SA
46
3
A REAÇÃO ÁLCALI-AGREGADO
54
3.1
REAÇÃO QUÍMICA ÁLCALI-SÍLICA
57
3.1.1 Reação química álcali-silicato
61
3.2
62
REAÇÃO QUÍMICA ÁLCALI-CARBONATO (RAC)
3.3
PRINCIPAIS ENSAIOS PARA A AVALIAÇÃO DA REAÇÃO ÁLCALIAGREGADO (RAA)
3.3.1
64
Análise Petrográfica ASTM 295 (ASTM, 1997), ASTM 856 (ASTM, 1997)
e NBR 7389 (ABNT, 1992)
64
3.3.2
Microscopia estereoscópica
65
3.3.3
Microscopia ótica
66
3.3.4
Método Osipov (Térmico)
68
3.3.5
Método químico NBR 9774 (ABNT, 1987) e ASTM 289 (ASTM, 1997)
68
3.3.6
Ensaio em barras de argamassa NBR 9773 (ABNT, 1987) e ASTM 227
(ASTM, 1997)
3.3.7
Ensaio acelerado em barras de argamassa ASTM 1260 (ASTM, 2005) e
ASTM 1567 (ASTM, 2004)
3.3.8
70
Ensaio do cilindro de rocha NBR 10340 (ABNT, 1991) e ASTM 586
(ASTM, 1997)
3.3.9
70
71
Método dos prismas de concreto ASTM 1293 (ASTM, 1997) e CSA A23.214A (CSA, 1996)
72
3.3.9.1 Avaliação da reação álcali-sílica
72
3.3.9.2 Avaliação da reação álcali-carbonato ASTM C-1105 (ASTM, 1997)
73
3.3.10
Método dos prismas de concreto (versão acelerada)
74
3.3.11
Microscopia eletrônica de varredura
74
3.3.12
Determinação do Índice de Deterioração do Concreto
75
4
PROGRAMA EXPERIMENTAL
80
4.1
VARIÁVEIS DEPENDENTES
80
4.1.1
Análise de expansão acelerada em barras de argamassa
81
4.1.2
Análise de expansão em prismas de concreto
82
4.1.3
Análise de íons e medidas de pH
83
4.2
MATERIAIS UTILIZADOS
84
4.3
MÉTODOS
90
4.3.1
Ensaio de expansão acelerada em barras de argamassa
90
4.3.2
Microscopia estereoscópica
91
4.3.3
Ensaios de expansão em prismas de concreto
91
4.3.4
Análise de íons e medidas de pH da fase líquida dos poros em pastas de
cimento
93
5
RESULTADOS E DISCUSSÕES
97
5.1
ENSAIO DE EXPANSÃO ACELERADO EM BARRAS DE
ARGAMASSA
97
5.2
ENSAIOS DE EXPANSÃO EM PRISMAS DE CONCRETO
103
5.3
CORRELAÇÃO ENTRE OS MÉTODOS
106
5.4
MICROSCOPIA ESTEREOSCÓPICA
107
5.5
ANÁLISE DE ÍONS E MEDIDAS DE pH DA FASE LÍQUIDA DOS
POROS EM PASTAS DE CIMENTO
112
6
CONSIDERAÇÕES FINAIS
115
6.1
CONCLUSÕES
115
6.2
SUGESTÕES PARA FUTURAS PESQUISAS
116
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ANEXOS
ANEXO A
ANEXO B
ANEXO C
118
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 -
Emissão de CO2 em toneladas per capita no ano de 2004
(MALHOTRA, 2005)
24
Tabela 2.2 -
Potencial energético da Usina de São Borja (CIGANA, 2006)
27
Tabela 2.3 -
Potencial energético da Usina de Dom Pedrito (CIGANA, 2006)
27
Tabela 2.4 -
Potencial energético da Usina de São Sepé (CIGANA, 2006)
28
Tabela 2.5 -
Resistência à compressão em MPa (SILVA et al., 2003)
30
Tabela 2.6 -
Tabela 2.6 - Resultados da permeabilidade aos cloretos (Coulombs)
obtidos pelo método – ASTM 1202 (COUTINHO, 2003)
Tabela 2.7 -
Composição química da CCA, segundo diversos autores (baseado em
SILVEIRA, 1996)
Tabela 2.8 -
31
32
Superfície específica e quantidade de sílica amorfa nas CCAs com e
sem pré tratamento com ácido clorídrico (ADR e RHA) (FENG et al.,
2004)
35
Tabela 2.9 -
Resistência à compressão em pasta (ZHANG et al., 1996)
37
Tabela 2.10 -
Resistência à compressão em concreto (MPa) (ZHANG et al., 1996)
37
Tabela 2.11 -
Resultados dos ensaios de Índice de Atividade Pozolânica com
cimento Portland (REGO, 2001)
Tabela 2.12 -
Resumo das principais propriedades físicas da sílica ativa (MORAIS,
2001)
Tabela 2.13 -
46
Solubilidade (em g) de base em 1 litro de água à 20º C (USBERCO et
al., 1995)
Tabela 3.2 -
43
Composição química de diferentes sílicas ativas em porcentagem
(MALHOTRA et al., 1987)
Tabela 3.1 -
42
Comparativo entre as propriedades químicas e físicas de duas sílicas
ativas oriundas de dois fabricantes.
Tabela 2.14 -
39
57
Solubilidade dos compostos de lítio, em porcentagem, segundo
Lumley (1996)
61
Tabela 3.3 -
Resumo dos resultados obtidos da análise petrográfica dos agregados
graúdos (ANDRADE et al., 2006)
Tabela 3.4 -
67
Fatores de multiplicação para o Índice de Deterioração (GRATTANBELLEW; AIR DANAY (1992) apud HASPARYK (1999))
78
Tabela 4.1 -
Composição dos cimentos Portland Comuns e Compostos
81
Tabela 4.2 -
Caracterização do cimento Portland
86
Tabela 4.3 -
Caracterização química da CCA A, CCA C e SA.
87
Tabela 4.4 -
Caracterização física e Índice de Atividade Pozolânica das adições.
88
Tabela 4.5 -
Expansões limites para o ensaio acelerado (60ºC) do Teste em Prisma
de Concreto - TPC (FOURNIER, 2004)
Tabela 5.1 -
Resultados do ensaio de expansão acelerado em prismas de concreto
aos 7 e 180 dias de ensaio.
Tabela 5.2 -
93
105
Resultados de expansão (%) em prismas de concreto (4 e 8 semanas)
e nas barras de argamassa (16 e 30 dias)
106
Tabela 5.3 -
Quantidade de aditivo utilizada em cada amostra
111
Tabela 5.4 -
Concentrações em mg/l aos 91 dias de cálcio, sódio e potássio.
114
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 -
Representação esquemática de partículas de cimento Portland em
pastas sem adição e aditivo (a), sem adição mineral e com aditivo
superplastificante (b) e com superplastificante e adição mineral de
20
elevada finura (c) (CORDEIRO, 2006).
Figura 2.1 -
Produção de cimento no Brasil, acumulado em 12 meses (baseado em
25
CUNHA et al., 2003)
Figura 2.2 -
Depósito da CCA residual em terrenos baldios próximos a uma
28
beneficiadora da região de Goiânia - GO (RÊGO, 2001)
Figura 2.3 -
Polimorfismos da sílica (AUSTERHEIN, 1976 apud BOATENG et
34
al., 1990, modificado)
Figura 2.4 -
Relação entre as mudanças na condutividade e a temperatura de
queima das CCAs pré-tratadas (ADR) e das CCAs sem pré-tratamento
(RHA) (FENG et al., 2004)
35
Figura 2.5 -
Evolução de resistência de argamassas (SANTOS, 1997)
40
Figura. 2.6 -
Difratograma de raios X da cinza da indústria P, onde C = cristobalita
41
e Q = quartzo (SANTOS, 1997)
Figura 2.7 -
Microscopia eletrônica de um aglomerado de sílica ativa. A partícula
maior é composta por muitas partículas individuais de sílica ativa
44
(MITCHELL et al., 1998)
Figura 2.8 -
Microscopia eletrônica de partículas esféricas de sílica ativa,
mostrando que as partículas apresentam ser lisas (MITCHELL et al.,
45
1998)
Figura 2.9-
Evolução
do
calor
em
amostras
de
C3 S
contendo
sílica
(KURDWOSKI; WCZELIK, 1983)
Figura 2.10 -
Influência da sílica na hidratação do C3S. (KURDWOSKI;
WCZELIK, 1983)
Figura 2.11 -
49
Microestrutura da zona de transição entre o agregado e a matriz de
cimento (BENTUR; COHEN, 1987)
Figura 2.13 -
48
Quantidade de Ca(OH)2 em pastas de C3S-silicoso (OGAWA et al.,
1980)
Figura 2.12 -
48
51
Microestrutura da zona de transição entre o agregado e a matriz de
cimento com adição de sílica (BENTUR; COHEN, 1987)
51
Figura 2.14 -
Esquematização da zona de interface entre a matriz e o agregado
(LIBÓRIO, 2002)
Figura 2.15 -
Esquematização da melhoria da zona de interface entre agregado e
pasta de cimento com a introdução da sílica ativa (LIBÓRIO, 2002)
Figura 2.16 -
52
52
Comparação da difusão de cloretos em pastas de cimento Portland
LIBÓRIO (2002) Obs.: sem adições, com 10% de cinzas volantes e
5% e 10% de sílica ativa
Figura 2.17 -
53
Idealização do funcionamento de um agregado sob carregamento
ocasionado por uma deficiência da zona de interface e melhoria
dessa região pela adição de sílica ativa (LIBÓRIO, 2002)
Figura 3.1 -
Amostra de referência com quartzito: poro com aspecto vítreo
(HASPARYK, 1999)
Figura 3.2 -
54
68
Imagem por microscopia ótica mostrando fissuras que cortam tanto o
agregado como a argamassa. Nessas fissuras encontram-se películas
ou filmes e poros preenchidos (P) (SILVEIRA et al., 2006)
Figura 3.3 -
69
Imagem por microscopia ótica mostrando as bordas da reação (B),
evidenciadas através da diferença de coloração (SILVEIRA et al.,
2006)
69
Figura 3.4 -
Ensaio térmico em material deletério (GAMINO, 2000)
70
Figura 3.5 -
Comportamento dos agregados de acordo com o método químico
NBR 9774 – ABNT (1987) (HASPARYK, 1999)
Figura 3.6 -
Reatividade Potencial para Rochas Carbonáticas – Método do
Cilindro de Rocha (SILVEIRA et al., 2006)
Figura 3.7 -
77
Esquema mostrando o número de corpos-de-prova usados na análise
das expansões em barras de argamassa
Figura 4.2 -
77
Micrografia eletrônica de varredura da cinza de casca de arroz
queimada a 560 ºC (SILVEIRA et al, 1995 apud DAFICO, 2003)
Figura 4.1 -
74
Gel maciço gretado revestindo o agregado graúdo – Aumento 1500x
(HASPARYK et al., 1998)
Figura 3.8 -
71
82
Esquema da metodologia experimental referente a análise das
expansões em prismas de concreto
83
Figura 4.3 -
Esquema da metodologia experimental referente a análise de íons e
medidas de pH da fase líquida dos poros
84
Figura 4.4 -
Distribuição granulométrica a laser da CCA amorfa e cristalina
88
Figura 4.5 -
Análise por difração de Raios X da amostra referente CCA Amorfa
89
Figura 4.6 -
Análise por difração de Raios X da amostra referente CCA
Cristalina
89
Figura 4.7 -
Aparelho utilizado na extração da fase líquida
94
Figura 4.8 -
Aparelho utilizado na extração da fase líquida e êmbolo de
compressão
Figura 5.1
Expansões médias das barras de argamassa contendo as adições
(método acelerado da barra de argamassa) até 30 dias de idade
Figura 5.2
99
Potencial de redução das expansões aos 30 dias, com base na barra
de argamassa de referência
Figura 5.4
97
Potencial de redução das expansões aos 16 dias, com base na barra
de argamassa referência
Figura 5.3
95
100
Fissuras ocorridas na barra com 20% de CCA A aos 10 dias (barras
úmidas)
101
Figura 5.5
Fissuras ocorridas na barra com 20% de CCA A aos 10 dias
101
Figura 5.6
Barras de argamassa com 20% de CCA amorfa e cristalina, após o
ensaio de expansão ASTM 1567 (ASTM, 2004)
Figura 5.7
Resultados do ensaio de expansão acelerada de prismas de concreto
a 60º (adaptado a partir da ASTM 1293 (ASTM, 1997))
Figura 5.8
105
Amostra com fissuras e material branco nas bordas dos agregados
(20% de CCA amorfa)
Figura 5.10
104
Redução das expansões aos 7, 84 e 180 dias das CCAs em relação
ao prisma de concreto de referência
Figura 5.9
102
107
Amostra com material branco nas bordas dos agregados (20% de
CCA amorfa)
108
Figura 5.11
Amostra com borda de reação (20% de CCA amorfa)
108
Figura 5.12
Amostra com material branco nas bordas dos agregados (20% de
CCA amorfa)
109
Figura 5.13
Amostra de referência onde os poros possuem aspecto vítreo
(referência)
109
Figura 5.14
Detalhe de um poro com aspecto vítreo
110
Figura 5.15
Outra amostra do corpo-de-prova de referência onde os poros
possuem aspecto vítreo
Figura 5.16
pH da fase aquosa das pastas de referência e das pastas com
substituição de 5%, 10% e 20% de CCA A e CCA C (7 dias)
Figura 5.17
110
113
pH da fase aquosa das pastas de referência e das pastas com
substituição de 5%, 10% e 20% de CCA A e CCA C (91 dias)
113
ABREVIATURAS
RAA
- reação álcali-agregado
RAS
- reação álcali-sílica
RAC
- reação álcali-carbonato
SA
- sílica ativa
CCA A
- cinza de casca de arroz amorfa
CCA C
- cinza de casca de arroz cristalina
RESUMO
A utilização de resíduos de diversas indústrias no concreto é uma contribuição para o
desenvolvimento sustentável da construção civil. O desenvolvimento de novas e sustentáveis
tecnologias para a construção civil está conectado à utilização de materiais alternativos, uma
vez que o mercado e a sociedade estão se tornando cada vez mais exigentes com o
desempenho das estruturas além da grande preocupação com o meio ambiente.
Análises químicas da fase aquosa de pastas de cimento contendo as cinzas foram feitas com a
finalidade de se verificar as variações das concentrações de alguns elementos químicos tais
como Na+, K+ e Ca+, e também o pH da solução contida nos poros, sendo as análises
realizadas nas idades de 1, 7, 28 e 90 dias de idade. Para se avaliar a influência da CCA
amorfa e cristalina na RAA, e comparar o seu comportamento com uma adição pozolânica
comercial (sílica ativa), empregou-se o método acelerado das barras de argamassa ASTM C1567. Fazendo-se o uso das adições nos teores de 0%, 5%, 10% e 20% de substituição, em
massa, em relação ao cimento Portland Comum CPI-32, na presença de um agregado
conhecidamente reativo do tipo quartzito. Já para se avaliar o comportamento das cinzas em
concreto, uma versão acelerada do método de ensaio em prismas de concreto (CPT, ASTM C1293) foi utilizada, executado com uma temperatura de 60ºC, e as duas cinzas foram
substituídas em relação à massa de cimento Portland Comum CPI-32 nos teores de 0% e 10%.
Por meio dos resultados obtidos pôde-se observar que tanto a CCA amorfa quanto a cristalina
foram capazes de reduzir as expansões causadas pela RAA quando comparadas com as
amostras de referência, sem adição. Neste estudo a CCA cristalina mostrou um grande
potencial na redução das expansões, quando usada em teores mais elevados, ao ser comparada
com a cinza amorfa, demonstrando ser um resíduo industrial atrativo para a construção civil
uma vez que não sofre nenhum processo de controle para uso, como ocorre com a CCA
amorfa. Pode-se observar ainda com os resultados das análises da fase aquosa que a CCA
amorfa e cristalina modificaram as concentrações dos elementos químicos nas soluções dos
poros das pastas estudadas.
Palavras Chave: Concreto, cinza de casca de arroz, reação álcali-agregado, expansão
ABSTRACT
The use of residues in the concrete from several industries is a contribution for the sustainable
development of the civil construction. The development of new and sustainable technologies
for civil engineering is connected to the use of alternative materials, since that the market and
the society are becoming more demanding with the performance of concrete structures and
also with great concern with the environment.
In this way the present paper analyzes the use of a by-product pollutant of the rice benefit
industry: the rice husk-ash. The performances of amorphous rice husk-ash and the crystalline
rice husk-ash in mortars and concretes had been verified. In order to evaluate the influence of
the amorphous and crystalline rice husk-ash in the alkali-aggregate reaction and to compare
its behavior with a commercial pozzolanic admixture (silica fume), the accelerated test
method of the mortar bars ASTM C-1260 was performed with 0%, 5%, 10% and 20% of
admixtures in substitution to the Portland Cement CPI-32 (by mass), by using a known
reactive aggregate of the type quartzite. Tests with concrete were also performed by using an
accelerated version of the concrete prism test (CPT, ASTM C-1293), at a temperature of
60ºC. For this test method, both amorphous and crystalline rice husk-ash were substituted in
mass in relation to the Portland Cement CPI-32 in contents of 0% and 10%. Chemical
analyses of cement pastes through the extraction of the pore watery phases had also been done
with the purpose to verify the variations of the concentrations of some chemical elements
such as Na+, K+ and Ca+ and also the pH of the solution contained in the pores, when the
cement was substituted for the ash, during the process of hydration, up to 90 days of age.
It was observed with the tests results that amorphous rice husk-ash and also the crystalline
rice husk-ash reflect in reduction of expansions caused by the alkali-aggregate reaction when
compared to the references, without admixtures. In this study, the crystalline rice husk-ash
showed a great potential in the reduction of the expansions when used in higher contents
when compared to the amorphous ash, demonstrating to be an attractive industrial residue for
the civil construction. It could be observed with the tests results that the amorphous rice huskash and also the crystalline rice husk-ash modify the concentrations of the chemical elements
present in the pore solutions of the pastes studied.
Keywords: Concrete, rice husk-ash, alkali-aggregate reaction, expansion
20
1 INTRODUÇÃO
A utilização de resíduos de diversas indústrias para a produção do concreto é uma
contribuição da construção civil para o desenvolvimento sustentável. O desenvolvimento de
novas, seguras e sustentáveis tecnologias para a construção civil está conectado à utilização
de materiais alternativos, uma vez que o mercado e a sociedade estão se tornando cada vez
mais exigentes com o desempenho das construções e com a preservação do meio ambiente.
Cerca de 10 milhões de toneladas de arroz (com casca) são estimados para a safra
brasileira de 2007 (IBGE, 2007) e a queima da casca de arroz produz cerca de 400 mil
toneladas de cinzas.
Estas cinzas não têm valor aglomerante, mas em presença de água, reagem com o
hidróxido de cálcio (Ca(OH)2) e formam compostos cimentantes.
Atualmente as empresas beneficiadoras de arroz são as principais consumidoras
da casca como combustível para a secagem e parboilização do cereal, mas, geralmente, as
cinzas são depositadas em terrenos baldios ou lançadas em cursos d’água, ocasionando
poluição e contaminação de mananciais.
Diante disso, o não-aproveitamento desse material não pode mais ser aceito pela
sociedade. Sendo assim, várias pesquisas vêm sendo desenvolvidas com o objetivo de utilizar
a cinza de casca de arroz (CCA) em diversas indústrias, principalmente na indústria da
construção civil. No Brasil, merecem destaque os trabalhos sobre cinza de casca de arroz
desenvolvidos por Isaia (1995), Silveira (1996), Hasparyk (1999) e Rêgo (2001).
Dependendo do processo de queima da casca, as características da cinza podem
variar bastante. O objetivo na maioria das vezes é o de se obter a sílica amorfa para agir como
material pozolânico. Taylor (1992) considera a ação físico-química da cinza de casca de arroz
similar à da sílica ativa, porém relata que a cinza de casca de arroz pode ser muito mais
pozolânica do que a própria sílica ativa dependendo de suas características.
Como a sílica ativa, a cinza de casca de arroz adicionada ao concreto diminui a
sua porosidade e permeabilidade, aumentando a sua resistência. A cinza de casca de arroz
necessita de maior quantidade de água, exigindo a utilização de superplastificantes (ZHANG;
MALHOTRA, 1996).
A inclusão de adições minerais em argamassas e concretos interfere na
movimentação das partículas de água, em relação aos sólidos da mistura, e,
conseqüentemente, reduz ou elimina o acúmulo de água livre que normalmente fica retida sob
21
o agregado. Além disso, as partículas da adição preenchem os vazios deixados pelo cimento
(Figura 1.1) próximos à superfície do agregado e interferem no crescimento e no grau de
orientação dos cristais de hidróxido de cálcio junto ao agregado. A ação desses fatores, em
conjunto com a redução da concentração de Ca(OH)2, proporciona melhora significativa na
zona de transição pasta/agregado. Isto se reflete em aumento de desempenho, tanto sob o
ponto de vista de resistência mecânica como de durabilidade.
Partícula de
cimento Portland
Adição
Mineral
Figura 1.1 - Representação esquemática de partículas de cimento Portland em pastas sem adição e
aditivo (a), sem adição mineral e com aditivo superplastificante (b) e com superplastificante e adição
mineral de elevada finura (c) (CORDEIRO, 2006).
As estruturas de concreto em geral e especificamente as construções de grande
porte, como as barragens, são objeto de pesquisas cada vez mais avançadas, visando
principalmente às questões de segurança e durabilidade. A vida útil de qualquer
empreendimento está intimamente ligada aos estudos nas fases de viabilidade, projeto básico
e no acompanhamento do desempenho da construção. Nos estudos referentes à deterioração
do concreto, encontra-se a reação álcali-agregado (RAA). Este fenômeno tem sido motivo de
investigações buscando entender o mecanismo de reação e os fatores que a influenciam, bem
como soluções seguras e viáveis para a recuperação de estruturas que apresentam os seus
sintomas.
A reação álcali-agregado é um fenômeno químico que ocorre entre determinados
minerais potencialmente reativos do agregado e os hidróxidos alcalinos presentes na estrutura
interna da pasta do concreto. Esta reação gera expansões capazes de comprometer a
durabilidade da estrutura de concreto. Para avaliar a reatividade de um agregado, existem
22
vários métodos que auxiliam nesta investigação. Estes métodos são utilizados para direcionar
às condições adequadas de utilização de um agregado potencialmente reativo e evitar que
danos ocorram a uma estrutura de concreto com o decorrer do tempo.
A deterioração causada pela RAA consiste na expansão provocada por um gel
formado através da reação entre os álcalis, principalmente do cimento, e os minerais reativos
presentes no agregado. Este gel, ao absorver água exerce pressões hidráulicas produzindo
expansões elevadas, causando fissurações que com o tempo interferem negativamente na
durabilidade da estrutura de concreto. Uma vez que a durabilidade é um fator relevante para o
concreto, faz-se necessária uma avaliação das características do agregado, quanto a sua
reatividade, para sua aplicação e o estudo de adições para combater o fenômeno patológico,
quando o agregado for reativo.
Estruturas de concreto que já apresentam indícios desta manifestação patológica
(RAA) podem também ser estudadas com o objetivo de avaliar o grau de deterioração das
mesmas. Para isto, diversas metodologias foram estabelecidas para auxiliar o estudo da RAA.
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivos gerais
O presente trabalho avalia as características de um subproduto poluente da
indústria beneficiadora de arroz, a cinza de casca de arroz, visando dar um uso nobre a este
material. O programa experimental desenvolvido para atingir os objetivos da presente
dissertação foi dividido em três etapas, cada uma com um objetivo específico.
1.1.2 Objetivos específicos
O principal objetivo do trabalho foi analisar, comparativamente, a influência da
substituição do cimento Portland Comum tipo CPI–32 pelas cinzas de casca de arroz amorfa
(queimada com controle de tempo e temperatura) e cristalina (queimada sem controle do
processo de queima) e pela sílica ativa (produto comercial). Foram avaliadas as propriedades
ligadas à durabilidade de concretos e argamassas, em especial às questões relacionadas com a
23
reação álcali-agregado. Para tanto, foi empregado um tipo de agregado conhecidamente
reativo, o quartzito.
Primeiramente, um dos objetivos específicos deste trabalho foi o de avaliar as
concentrações dos íons sódio, potássio e cálcio e realizar medidas de pH da fase líquida dos
poros de pastas de cimento referência (sem adição) e das pastas de cimento dosadas com CCA
amorfa e cristalina em diferentes idades e teores. Tentando, assim, avançar o nível de
conhecimento do meio técnico-científico sobre os efeitos causados pela adição da CCA ao
cimento Portland.
A segunda etapa do trabalho teve como objetivo avaliar a influência da cinza de
casca de arroz amorfa e cristalina e da sílica ativa, em diversos teores, no comportamento de
argamassas dosadas com um agregado potencialmente reativo, o quartzito, por meio de
resultados obtidos em ensaios de expansão em barras de argamassa.
Por último, esta dissertação procurou analisar o desempenho da CCA amorfa e
cristalina, adicionadas ao concreto, no que se refere ao controle das expansões oriundas da
reação álcali-agregado (RAA).
1.2 ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO
A dissertação está estruturada em seis capítulos, onde este 1º (Introdução) faz uma
abordagem geral do tema pesquisado, apresentando os objetivos e organização da dissertação,
os dois seguintes abordam a revisão bibliográfica (Capítulos 2 e 3), a metodologia
experimental, iniciando os resultados da caracterização dos materiais utilizados é apresentado
no Capítulo 4, a apresentação e discussão dos resultados obtidos nos ensaios no Capítulo 5 e
as conclusões e comentários no Capítulo 6.
O Capítulo 2 descreve as adições minerais: cinza de casca de arroz amorfa e
cristalina e sílica ativa. São descritas as propriedades de cada adição, seus componentes
químicos e as principais modificações físicas causadas tanto pela cinza de casca de arroz
quanto pela sílica ativa no concreto.
No Capítulo 3 são discutidas as reações químicas que ocorrem devido a interação
álcali-agregado, envolvendo os compostos químicos formados além dos métodos de ensaio
disponíveis para estudo da RAA.
24
O Capítulo 4 aborda as etapas experimentais do trabalho e os métodos utilizados.
Neste capítulo também são apresentados os resultados das caracterizações dos materiais
utilizados.
No Capítulo 5 estão os resultados dos ensaios realizados com as suas
interpretações e análises, sendo dispostos de forma segmentada, de acordo com cada tipo de
ensaio realizado, e com discussões comparativas entre os ensaios, quando pertinentes. As
conclusões e os comentários finais do trabalho estão inseridos no Capítulo 6.
O Anexo A apresenta, na íntegra, os dados obtidos nos ensaios realizados.
25
2 A CINZA DE CASA DE ARROZ E A SÍLICA ATIVA
2.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS
A indústria produtora de cimento Portland é responsável por + 7 % das
emissões de gás carbônico no mundo (MEHTA, 1999), sendo este gás um dos principais
responsáveis pelo efeito estufa. Os Estados Unidos e o Canadá são os maiores emissores de
CO2 no mundo, com emissões estimadas em 20 toneladas per capita por ano (Tabela 2.1). Os
países em desenvolvimento como a Índia e a China possuem, atualmente, baixas emissões per
capita, mas a rápida industrialização destes países ira fazer crescer esta taxa de emissão de
CO2, significantemente, no futuro (MALHOTRA, 2005).
Tabela 2.1 - Emissão de CO2 em toneladas per capita no ano de 2004 (MALHOTRA, 2005)
Estados Unidos
20
Canadá
20
China
3
América Latina
3
Índia
1
Na evolução da produção de cimento no Brasil dos últimos vinte anos,
apresentada na Figura 2.1, identifica-se claramente três períodos. O primeiro é caracterizado
pela estagnação econômica, provocada pela instabilidade financeira da segunda metade da
década de 80 do século passado, até o início do Plano Real.
A partir de 1994, o ganho de poder aquisitivo decorrente da estabilização de
preços provocou um rápido e intenso aumento na demanda e, como resposta, na quantidade de
cimento produzida. Entre dezembro de 1994 e dezembro de 1998, a produção de cimento no
Brasil passou de aproximadamente 24 milhões de toneladas ao ano para 40 milhões, com uma
taxa média de crescimento de 12% ao ano. Essa evolução perdeu dinamismo após a crise
russa, quando ficou evidente a iminente crise cambial brasileira, deflagrada em janeiro de
1999. A partir de então, a indústria de cimento do país, assim como praticamente todas as
atividades produtivas voltadas para o mercado doméstico, mostra sinais de estagnação, e até
de retração, em decorrência dos efeitos da política econômica restritiva adotada para o
26
necessário combate à inflação e ao crescimento do endividamento público (CUNHA et al.,
2003)
42000
Plano Real
36000
Inflação Alta
e Estagnação
34000
Crise Internacional e
Estagnação
32000
30000
28000
26000
Aumento
do Poder
Aquisitivo
24000
22000
Crise Russa
20000
19
85
19
86
19
87
19
88
19
89
19
90
19
91
19
92
19
93
19
94
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
20
03
20
04
20
05
( x Mil Toneladas)
40000
38000
Figura 2.1 - Produção de cimento no Brasil, acumulado em 12 meses (baseado em CUNHA et al.,
2003)
Existem poucas novas tecnologias capazes de reduzirem as emissões de CO2
durante a produção do cimento Portland. Sendo assim, deve-se procurar diminuir o consumo
de cimento no concreto com a sua substituição por materiais cimentantes, como a escória
granulada de alto-forno, a cinza volante e a cinza de casca de arroz.
Anualmente, cerca de 10 milhões de toneladas de arroz (IBGE, 2006) são
produzidas no Brasil, sendo a região Sul responsável pela produção de aproximadamente 6
milhões de toneladas, representando mais de 53% da produção nacional de arroz. A produção
da região Centro-Oeste corresponde a 21% da produção nacional, sendo que a quantidade de
arroz produzida no estado de Goiás é de 300.000 toneladas, sendo possível uma produção de
12 mil toneladas de CCA.
Segundo Rêgo (2001), a cinza de casca de arroz pode beneficiar tanto os aspectos
relacionados à resistência mecânica quanto os relacionados com a durabilidade das estruturas
de concreto.
A RILEM (1988) classifica a CCA produzida por combustão controlada e a sílica
ativa como sendo adições minerais altamente pozolânicas, usadas no cimento ou no concreto.
Esta mesma classificação ainda as caracteriza como sendo constituídas essencialmente de
27
sílica pura na forma não cristalina. Por outro lado a CCA queimada em campo é classificada
como outras.
Os materiais pozolânicos possuem em suas composições altos teores de SiO2 e
Al2O3, preferencialmente no estado amorfo. O componente principal da sílica ativa é a sílica
(SiO2) que está presente com teor maior que 90%, em massa, da composição química de uma
cinza amorfa. As impurezas comuns são o cloreto de potássio, quartzo, ferro metálico, ferro
silício, argilas e materiais orgânicos (TAYLOR, 1992).
As pozolanas podem contribuir para o ganho de resistência mecânica e redução de
água, devido ao efeito físico das partículas na distribuição granulométrica do sistema. Este
fenômeno é mais acentuado para pozolanas mais finas, como a sílica ativa e o metacaulim. A
sílica ativa possui diâmetro médio das partículas de 0,5 µm, enquanto que o cimento Portland
possui diâmetro médio das partículas igual a 45 µm.
A distribuição granulométrica influenciará principalmente no empacotamento e na
distribuição das partículas que irão reagir com o hidróxido de cálcio livre ou servirão de
material para o preenchimento dos vazios intersticiais. Mesmo o material pozolânico que não
reagiu tem a função de filler (GOLDMAN; BENTUR, 1993). O efeito filler também provoca
densificação da região da zona de transição, principalmente nas primeiras idades quando a
reação pozolânica ainda não é tão significativa (NITA, 2006).
2.2 A CINZA DE CASCA DE ARROZ (CCA)
Nas indústrias de beneficiamento de arroz se utiliza na maioria das vezes a casca
de arroz como combustível para as caldeiras no processo de secagem ou parboilização dentro
da própria indústria, sendo este um processo sem controle de tempo e temperatura de queima.
Atualmente a utilização de biomassa como combustível em usinas termoelétricas,
vem sendo incentivada, uma vez que a biomassa é uma forma alternativa e eficiente de
geração de energia elétrica.
A casca de arroz, resíduo da lavoura orizícola no Rio Grande do Sul, também é
empregada como combustível para a geração de energia. A Hamburgo Energia, subsidiária da
alemã CCC Machinery, tem projeto para quatro usinas de biomassa que somam 61,5 MW de
potência instalada e um investimento total de 93 milhões de euros. Três delas serão a partir da
casca de arroz (CIGANA, 2006).
28
As usinas movidas com a queima da casca de arroz, cada uma programada para
gerar 12,3 MW, serão localizadas nas cidades de Dom Pedrito, São Sepé e São Borja,
tradicionais produtoras de grãos. A Hamburgo Energia planeja consumir cerca de 8,5 mil
toneladas de casca de arroz por mês por usina.
A primeira usina, a de São Borja, deve estar pronta em agosto de 2007. Segundo a
subsidiária alemã, a idéia é comercializar a energia somente quando iniciar a produção,
aproveitando a possibilidade aberta pela legislação de as distribuidoras adquirirem até 10% de
duas fontes de energia alternativa. Além das usinas da Hamburgo Energia, o Rio Grande do
Sul conta com sete projetos de geração de energia a partir da casca de arroz, que somam 35
MW. Josapar, Pilecco e Cooperativa Agropecuária de Alegrete (Caal) e três grandes
beneficiadoras estão à frente destes projetos (CIGANA, 2006).
A Tabela 2.2, traz as potências elétricas e os respectivos investimentos de cada
usina.
Tabela 2.2 - Potencial energético das Usinas de São Borja, Dom Pedrito e São Sepé (CIGANA, 2006)
Usina
Potência
Fonte:
Investimento:
São Borja
12,3 MW
Casca de arroz
19,5 milhões de euros
Dom Pedrito
12,3 MW
Casca de arroz
19,5 milhões de euros
São Sepé
12,3 MW
Casca de arroz
19,5 milhões de euros
Devido à ausência de controle desses processos de queima, diz-se que as cinzas de
casca de arroz (CCAs) produzidas são obtidas “sem controle da temperatura” (CCA
residual/cristalina). Este material é um resíduo produzido em grande quantidade e sem
destinação pela indústria e cuja deposição final é um grave problema ambiental (RÊGO,
2001), como mostra a Figura 2.2.
Sendo assim, as pesquisas devem levar em consideração a necessidade atual de
aproveitamento de resíduos industriais, promovendo o desenvolvimento de novos materiais,
tentando, assim, empurrar a barreira do conhecimento e viabilizar o uso dos resíduos
industriais, que ainda não possuem aplicação específica, reduzindo os problemas ambientais e
melhorando a durabilidade dos concretos.
29
Figura 2.2 - Depósito da CCA residual em terrenos baldios próximos a uma beneficiadora da região de
Goiânia - GO (RÊGO, 2001)
O primeiro estudo no Brasil com o objetivo de se avaliar o efeito da cinza de
casca de arroz na reação álcali-agregado foi apresentado por Hasparyk (1999). Neste estudo,
envolvendo um quartzito e um basalto, ambos reativos, e teores de 4%, 8%, 12% e 15% de
cinza de casca de arroz em substituição ao cimento, foi verificada a potencialidade da CCA na
redução das expansões. O teor ótimo encontrado foi igual a 15%, tanto na presença do basalto
quanto do quartzito.
2.2.1 Propriedades da CCA
Bartha e Huppertz (1977) estudaram os efeitos da queima da casca de arroz na
estrutura da sílica presente na cinza. Neste estudo, pode-se concluir que a cristalização da
sílica ocorre em torno de 725ºC. Os resultados obtidos demonstraram que em temperaturas
acima de 800ºC apenas 30% da sílica permanece amorfa, sendo que os 70% restantes geram o
aparecimento de cristobalita.
Na opinião dos referidos autores, as investigações sobre temperatura, tempo de
queima e formação de agentes mineralizadores na sílica durante o processo de queima da
30
casca são extremamente necessárias, uma vez que estes aspectos formam a base da otimização
do processo de combustão, o qual pode ser realizado em um forno industrial.
A cinza pode apresentar colorações que variam entre o preto, o cinza e o
branco-rosado. As mudanças de cor estão associadas com o processo de combustão e com as
transformações estruturais que ocorrem no material durante a variação da temperatura
(NEVILLE, 1997). Quanto mais escura, maior o teor de carbono, ou seja, maior a quantidade
de matéria orgânica não queimada. A cor branca é a indicação da completa oxidação do
carbono da cinza, pelas altas temperaturas ou longos períodos de retenção, com a formação de
sílica na forma de cristobalita e tridimita.
Em pesquisa sobre a influência de diferentes dosagens de cinza de casca de
arroz na resistência à compressão de argamassas, Silva et al. (2003) mostram que a utilização
de cinza de casca de arroz em argamassas foi bastante satisfatória. Silva et al. (2003)
concluíram que uma determinada faixa granulométrica é mais adequada. Esses dados são
apresentados na Tabela 2.3.
Tabela 2.3 - Resistência à compressão em MPa (SILVA et al., 2003)
Traço
Tempo de moagem
Resistência aos 07 dias (MPa)
(min)
5% CCA
10% CCA
M1
20
22,2
21,1
M2
30
29,1
25,4
M3
40
20,9
17,3
M4
50
24,8
23,1
M6
60
22,8
19,8
Referência
0
21,7
23,3
A cinza de casca de arroz utilizada neste estudo foi obtida pela queima não
controlada da casca de arroz, sendo para isso utilizado um tambor de óleo, com um fogareiro
a gás como alimentador inicial para a combustão.
Coutinho (2003) ao analisar a casca de arroz portuguesa, demonstrou que a cinza
de casca de arroz (CCA) é de fato um dos materiais que além de substituir parcialmente o
cimento com benefícios ambientais, contribui de uma maneira decisiva para a durabilidade do
concreto armado, uma vez que com a substituição de cimento Portland por CCA. A
31
resistência à penetração de cloretos foi aumentada e, portanto, a durabilidade no que se refere
à corrosão das armaduras por penetração daqueles agentes agressivos também foi aumentada.
Os resultados da permeabilidade aos cloretos obtidos se encontram na Tabela 2.4.
Tabela 2.4 - Resultados da permeabilidade aos cloretos (Coulombs) obtidos pelo método – ASTM
1202 (ASTM, 1994) (COUTINHO, 2003)
10%
20%
30%
10%
CCA
CCA
CCA
SA
7766
1940
797
603
751
119 dias
8265
2092
807
440
712
125 dias
8036
1890
725
397
714
Média
8022
1974
776
480
726
Desvio padrão
250
105
45
109
22
-
75%
90%
94%
91%
Idade
Referência
118 dias
Aumento de resistência à
penetração dos cloretos em
relação ao Referência
A CCA utilizada por Coutinho (2003) foi obtida por incineração controlada da
casca de arroz, sendo a taxa de aquecimento do forno igual a 10ºC por minuto, até uma
temperatura máxima de 650ºC, mantendo-se nesta temperatura durante 2 horas, sendo depois
resfriada até a temperatura ambiente.
Costerano et al. (2003) avaliaram o efeito da adição da cinza e sílica de arroz em
concretos, confirmando as considerações já encontradas por Goldman e Bentur (1993), no
sentido de que um pó finamente dividido pode substituir parte do cimento Portland e ainda
promover benefícios ao concreto.
No entanto, não é adequado analisar certos efeitos das adições nos concreto como
a resistência mecânica, pois diferentes sistemas cimentíceos em uma mesma idade, com traços
que não contenham adições, apresentam diferentes instantes de ocorrência das reações
químicas.
James e Rao (1986), estudaram os efeitos das condições de queima da casca de
arroz sobre as características físicas e a atividade química da cinza produzida e pesquisaram
aspectos relacionados com o tamanho das partículas, área específica e distribuição dos poros
do concreto. Al-Khalaf e Yousif (1984) também relataram sobre os efeitos da queima e da
32
moagem da cinza de casca de arroz no índice de atividade pozolânica, mostrando que com a
substituição de até 40% de cimento Portland por cinza de casca de arroz não são observadas
diferenças significativas na resistência à compressão em relação às misturas de controle.
2.2.2 Composição química da CCA
Segundo Silveira (1996) a composição química de cinzas com diferentes origens
mostram-se semelhantes, independente do tipo de queima utilizada. As variações dos teores
de sílica ficam entre 78 e 95%.
Tabela 2.5 - Composição química da CCA, segundo diversos autores (baseado em SILVEIRA, 1996)
Composição COOK SALAS CINCOTTO RÊGO GUEDERT FARIAS SUGITA
Química (%)
1976
1986
Temperatura
450ºC 1000ºC
de Queima
1988
500 600ºC
2004
ni
1989
sem
controle
1990
et al.,
1992
ISAIA
1995
ni
600ºC
(*)
SiO2
93,15
91,26
94,70
84,95
93,11
91,78
90,00
78,60
Al2O3
0,41
0,94
0,09
0,45
0,92
0,60
0,10
2,30
Fe2O3
0,20
0,37
1,46
0,32
0,40
0,34
0,40
2,30
CaO
0,41
2,15
0,99
0,84
0,52
0,50
0,40
1,00
MgO
0,45
0,88
0,95
0,40
0,85
0,52
0,30
0,80
SO3
nd
nd
0,21
nd
nd
0,02
nd
0,04
Na2O
0,08
nd
0,04
0,21
0,12
0,11
0,06
0,01
K2O
2,31
nd
1,75
0,50
1,12
1,30
2,41
0,56
2,77
nd
7,29
nd
nd
nd
4,20
11,80
nd
0,17
nd
nd
nd
nd
nd
nd
Perda ao
fogo
Resíduo
Insolúvel
Obs:. nd = não determinado
ni = não informado; (*) = 50% à 650ºC + 50% sem controle
33
As principais impurezas encontradas são os óxidos de potássio e sódio, sendo que
os óxidos de cálcio e magnésio geralmente não ultrapassam teores superiores a 1%.
Boateng et al. (1990) detalham que a CCA é um material cimentante devido as
reações químicas da sílica amorfa da cinza com a cal, formando os silicatos de cálcio
hidratados (C-S-H), sendo este o principal composto responsável pela resistência do concreto.
James e Rao (1986) detalham que os silicatos formados são dos tipos C-S-H-I e
C-S-H-II, como mostram as reações das Equações 2.1, 2.2 e 2.3.
Ca(OH)2 + SiO2
C-S-H-I + C-S-H-II
(Equação 2.1)
C-S-H-I
CaO0,8-1,5SiO2.(H2O)1.0-2,5
(Equação 2.2)
C-S-H-II
CaO1,5-2,0 SiO2.2(H2O)
(Equação 2.3)
O tipo de cinza que desenvolve a atividade pozolânica é a cinza amorfa (JAMES;
RAO, 1986). Sendo assim, a Equação 2.1 pode explicar o processo de endurecimento que
conduz ao aumento da resistência, uma vez que o C-S-H é o principal responsável pela
resistência do concreto.
É estabelecido que a sílica presente na cinza passa por transformações estruturais
sob condições variadas de temperatura. Sendo assim, a queima da casca de arroz em
temperaturas que variam entre 500 à 700ºC, geralmente, produz CCA amorfa, enquanto que a
queima a temperaturas maiores que de 900ºC produz a CCA cristalina (BOATENG et al.,
1990).
De acordo com o aumento da temperatura de queima da casca de arroz, as
ligações entre seus átomos são rompidas, formando um novo empacotamento atômico, dando
origem a novas estruturas, sendo que este processo é acompanhado, geralmente, por variações
de volume e densidade (AUSTERHEIN, 1976 apud BOATENG et al., 1990). Estas
transformações na estrutura da sílica com o aumento da temperatura ocorrem de acordo com a
Figura 2.3.
34
Quartzo-β
870ºC
573ºC
Quartzo-α
Tridimita- β
1470ºC
Cristobalita-β
117ºC
Tridimita-α
1713ºC
Sílica
líquida
200ºC-275ºC
Cristobalita-α
α e β = ângulos de rotação dos eixos dos sistemas
Figura 2.3 - Polimorfismos da sílica (AUSTERHEIN, 1976 apud BOATENG et al., 1990,
modificado)
A sílica cristalina, em estado puro, pode apresentar-se sob diferentes fases polimórficas,
correspondentes aos diversos modos de agrupamento dos tetraedros de silício e oxigênio. Os
polimorfismos mais importantes e seus intervalos de temperatura são descritos na Figura 2.3
(AUSTERHEIN, 1976 apud BOATENG et al., 1990). A forma mais estável da sílica, à temperatura
ambiente, é o quartzo-α, que se transforma em quartzo-β a 573°C. Entre 870°C e 1470°C a sílica
cristalina apresenta-se como tridimita-β. A tridimita-α pode existir da temperatura ambiente até 117°C,
mas não é estável neste intervalo. O mesmo ocorre para a cristobalita-α que pode existir desde a
temperatura ambiente até 200°C-275°C. Por sua vez, a cristobalita-β, que pode existir acima de
200°C-275°C, é estável desde 1470°C até seu ponto de fusão, a 1713°C.
Estudando cinzas de casca de arroz provenientes de cascas submetidas a um
tratamento prévio com ácido clorídrico Feng et al. (2004), demonstraram que essas CCAs
possuem uma menor sensibilidade às temperaturas de queima.
Sendo assim, estas cinzas tratadas podem ser queimadas em temperaturas mais
altas, sem o problema de perda das propriedades pozolânicas.
A Figura 2.4 mostra a grande diferença na condutividade com a CCA proveniente
da casca tratada por imersão de ácido clorídrico (ADR) em temperaturas superiores a 800ºC,
enquanto que a CCA sem tratamento (RHA) tem a sua condutividade diminuída
significativamente em temperaturas superiores a 600ºC.
Na Tabela 2.6 pode-se comparar a superfície específica em m²/g e a quantidade de
sílica amorfa (%) para as duas cinzas, ADR e RHA, a diferentes temperaturas. A grande
diferença de condutividade da cinza tratada com o ácido clorídrico se deve principalmente a
maior superfície específica e a grande quantidade de sílica amorfa, originando uma grande
atividade pozolânica.
35
●●●
Condutividade (ms/cm)
● ●●●
●
●
●
Temperatura de queima (ºC)
● Série ADR
▲Série RHA
Figura 2.4 - Relação entre as mudanças na condutividade e a temperatura de queima da CCA prétratada (ADR) e a CCA sem pré-tratamento (RHA) (FENG et al., 2004)
Tabela 2.6 - Superfície específica e quantidade de sílica amorfa nas CCAs com e sem pré tratamento
com ácido clorídrico (ADR e RHA) (FENG et al., 2004)
Amostra
ADR
RHA
Temperatura de
Aquecimento (ºC)
Superfície
específica (m²/g) (a)
550
600
700
800
900
1000
550
600
700
800
210,0
270,0
311,0
257,0
154,0
7,3
164,0
86,0
73,0
9,2
(a) Determinada pelo método de adsorção de nitrogênio (BET)
(b) Determinada pelo método com glicerol
Quantidade de
sílica amorfa (%) (b)
94,8
95,1
95,0
95,7
90,9
50,8
88,6
89,6
75,4
40,2
36
2.2.3 Modificações físicas causadas pela CCA
Em seu estudo sobre a reação entre a cinza de casca de arroz e o Ca(OH)2 em
solução, Yu et al. (1999) confirmaram que em uma temperatura em torno de 40ºC e na
presença de água, a sílica amorfa presente na cinza de casca de arroz (CCA) reage com o
hidróxido de cálcio (Ca(OH)2) para formar uma fase de gel de C-S-H (Ca1,5.SiO3,5.XH2O).
Uma das razões principais para a melhora nas propriedades do concreto com adição de cinza
de casca de arroz pode ser atribuída à formação do gel de C-S-H e a redução da portlandita no
concreto, devido a reação que ocorre entre a cinza e o Ca2+, a OH- ou o Ca(OH)2 presente no
cimento hidratado.
Similar a sílica ativa, a cinza de casca de arroz também contém cerca de 90% de
sílica por massa (YU et al., 1999). Sabe-se ainda que a sílica ativa pode reagir com o
hidróxido de cálcio tendo como produto desta reação o gel de silicato de cálcio hidratado
(C-S-H). Neste caso a relação CaO/SiO2 no gel de C-S-H, formado na pasta com adição de
sílica ativa, diminui notavelmente com o aumento de adição de sílica ativa. A CCA possui
características muito parecidas com as da sílica ativa, mas a CCA pode ser ainda mais
pozolânica do que a sílica ativa (TAYLOR, 1992).
Zhang et al. (1996) investigaram alguns aspectos envolvendo os efeitos da
incorporação da CCA com controle de temperatura em pastas de cimento, na hidratação do
concreto e na microestrutura da zona de transição entre a pasta e o agregado. De acordo com
os estudos realizados, a pasta de cimento Portland referência (sem adição) permanecendo com
22% de partículas de cimento não hidratada, enquanto que a porcentagem de partículas de
cimento não hidratadas com as adições de cinza de casca de arroz e de sílica ativa foi de 18%
e 20% respectivamente, depois de 28 dias de cura.
Como a substituição de 10 % de cimento por CCA, a porcentagem de partículas
de cimento não hidratadas foi reduzida para 18%. Possivelmente, a presença de CCA acelerou
a hidratação do cimento Portland, porém esta análise precisa ser confirmada com pesquisas
adicionais, segundo Zhang et al. (1996).
Outra tendência encontrada neste mesmo estudo foi o refinamento dos poros nas
estruturas com CCA e sílica ativa, uma vez que a razão de perda de massa para a cinza de
casca de arroz e para a sílica ativa foi menor do que para a pasta de referência, quando
colocadas em um forno para secagem a 105 ºC.
37
Zhang et al. (1996) analisaram ainda a resistência à compressão (Tabela 2.7 e 2.8)
e a zona de transição entre a pasta e o agregado. Os resultados encontram-se, respectivamente,
nas Tabelas 2.7 e 2.8.
Tabela 2.7 - Resistência à Compressão em pasta (MPa) (ZHANG et al., 1996)
Resistência à Compressão (MPa)
Mistura
a/agl
1
7
28
90
180
dia
dias
dias
dias
dias
Referência
0,30
46,5
75,9
96,0
113,3
118,7
10% de CCA
0,30
44,8
77,9
94,1
94,4
97,7
10% de SA
0,30
44,6
74,3
83,1
94,5
97,2
Tabela 2.8 - Resistência à Compressão em concreto (MPa) (ZHANG et al., 1996)
Resistência à Compressão (MPa)
Mistura
a/agl
1
7
28
90
180
dia
dias
dias
dias
dias
Referência
0,30
41,4
52,1
61,0
70,6
76,5
10% de CCA
0,30
41,4
57,9
70,8
78,9
81,7
10% de SA
0,30
44,4
64,8
78,9
77,8
80,8
Pela Tabela 2.7 pode-se observar que a pasta de cimento com 10% de CCA
obteve resistência similar ao da pasta de referência até os 28 dias, porém menores valores
foram encontrados para a pasta com 10% de CCA aos 90 e 180 dias. Os ensaios com 1, 7 e 28
dias foram repetidos três vezes e os resultados mostraram a mesma tendência. Com relação ao
comportamento da cinza no concreto, a referência (sem adição) e os concretos com 10% de
substituição por cinza de casca de arroz (CCA) e sílica ativa (SA) obtiveram resistências
similares com 1 dia, porém o concreto com 10% de CCA obteve uma resistência à
compressão maior do que o concreto de referência aos 180 dias. Comparado ao concreto com
sílica ativa, a resistência à compressão do concreto com cinza de casca de arroz foi menor até
os 28 dias, mas similar aos 90 e 180 dias de idade.
38
Esta maior resistência à compressão encontrada no concreto com CCA, após os 7
dias comparado com o concreto de referência, é devido, ao refinamento dos poros, a redução
do hidróxido de cálcio CaOH2 e consequentemente, a uma redução da zona de transição entre
o agregado e a pasta. Porém Zhang et al. (1996) afirmam que tanto a porosidade do concreto
com CCA quanto a sua zona de transição são maiores do que as do concreto contendo sílica
ativa (SA).
No seu estudo sobre a influência do processo de queima no Índice de Atividade
Pozolânica com o cimento (IAP) de CCAs residuais com o cimento Santos (1997) encontrou
IAP superiores aos exigidos pela NBR 12653 (ABNT, 1992), tendo melhores resultados com
aqueles processos onde o material foi recolhido via seca, superando os valores obtidos para a
CCA produzida em forno de leito fluidizado. Na mesma pesquisa, os diferentes tempos de
moagem da CCA levaram a diferentes superfícies específicas do material e influenciaram de
forma significativa na atividade pozolânica. A autora concluiu que cada CCA produzida por
um diferente processo de queima possui seu tempo de moagem ótimo para atingir a sua
atividade pozolânica máxima. Uma observação importante apresentada no trabalho de Santos
(1997) é que a cinza de casca de arroz que apresentou maior índice de atividade pozolânica
com o cimento não apresentou o melhor desempenho na argamassa. Isso foi atribuído à forma
com que é realizado o ensaio de atividade pozolânica, que compara o desempenho de
pozolanas para uma consistência fixa. Assim, muitas vezes, as pozolanas mais finas, por
necessitarem de uma maior quantidade de água para atingir determinada consistência fixa,
segundo recomendação da NBR 12653 (ABNT, 1992), apresentaram elevada relação
água/aglomerante e baixos índices de atividade pozolânica. Além disso, estas pozolanas muito
finas podem formar grumos e, para desenvolver todo o seu potencial, exigem o uso de agentes
dispersantes nas argamassas e concretos, papel este hoje desempenhado pelos aditivos
plastificantes e superplastificantes.
Na dissertação de mestrado de Rêgo (2001), constata-se que a CCA residual
queimada sem controle de temperatura apresentou o valor de índice de atividade pozolânica
com cimento Portland de, aproximadamente 85%, sendo considerada como um material
pozolânico tendo em vista que a NBR 12653 (ABNT, 1992) estipula o valor de 75% de IAP
para a qualificação do material como uma pozolana. Cabe salientar que o diâmetro médio de
15,19µm alcançado pela CCA residual (sem controle de temperatura de queima) quando
moída por 5 horas, foi muito maior do que o diâmetro médio de 4 µm da CCA de referência
(com controle de queima). A CCA residual, mesmo com essa granulometria mais grossa,
alcançou um alto IAP com cimento. A Tabela 2.9 mostra os resultados dos ensaios de Índice
39
de Atividade Pozolânica com cimento Portland encontrados por Rêgo (2001), para algumas
cinzas de casca de arroz.
Tabela 2.9 - Resultados dos ensaios de Índice de Atividade Pozolânica com cimento Portland (REGO,
2001)
CCAs
Tempo de
Tipo de
Diâmetro
Moagem
Queima
Médio (µm)
CCA 3
3hs
CCA 5
3hs
CCA 5
5hs
CCA (EUA)
-
Queimada a
céu aberto
Queimada
em fornalha
Queimada
em fornalha
Referência
Índice de Atividade
Pozolânica com o cimento
Portland (%)
22,81
64,70
19,78
77,70
15,19
84,50
4,00
110,00
Os estudos realizados no Brasil, de um modo geral, indicam que a CCA obtida
com controle de tempo e temperatura de queima é uma ótima pozolana, podendo ser
comparada a pozolanas conhecidas comercialmente, como a sílica ativa (resíduo da fabricação
do ferro-silício e/ou do silício metálico). Nestes trabalhos nacionais, mesmo para cinzas de
casca de arroz residuais que mostraram a presença de picos cristalinos nos ensaios de difração
de raios X, os desempenhos das CCAs foram satisfatórios, contrariando a maioria das
referências internacionais.
Santos (1997) comparou as resistências de argamassas com mesma relação
água/aglomerante e com 15% de substituição do cimento Portland por diferentes tipos de
cinzas: CCA residual queimada em leito fluidizado sem controle de temperatura (F), CCA
residual queimada em grelha, com extração a seco (G), cinza de casca de arroz residual
queimada em grelha, com auxílio de ar comprimido (P), CCA queimada em grelha, com
extração úmida (R), CCA obtida em leito fluidizado com controle de temperatura (LF), cinza
volante (CV) e sílica ativa (SA). A Figura 2.5 traz as resistências das argamassas em MPa até
a idade de 90 dias.
40
Figura 2.5 - Evolução da resistência de argamassas (SANTOS, 1997)
Pode-se observar pela Figura 2.5 que a cinza residual obtida por queima não
devidamente controlada (P) apresentou desempenho similar ao da sílica ativa, que é
reconhecidamente uma pozolana de alta qualidade. Santos (1997) analisando o perfil de
difração por raio-X dessa CCA (Figura 2.6), observou vários picos devido a presença de
cristais de sílica. Segundo a autora, o bom desempenho apresentado pode ser justificado pela
elevada área específica que possui a sílica presente nas CCAs e pelo efeito filler gerado pela
presença de carbono não queimado, que é um material extremamente fino. É justamente a
presença desse carbono que faz com que os valores medidos de área específica para amostras
de cinzas de casca de arroz não tenham uma correspondência direta com sua reatividade
(SANTOS, 1997)
41
Figura 2.6 - Difratograma de raios X da cinza da indústria P, onde C = cristobalita e Q = quartzo
(SANTOS, 1997)
2.3 A SÍLICA ATIVA (SA)
A sílica ativa é um subproduto da fabricação de silício ou de ligas de ferro-silício
a partir de quartzo de elevada pureza e carvão em forno elétrico de eletrodos de arco
submerso. O óxido de silício (SiO) que se desprende na forma de gás oxida-se e se condensa,
gerando partículas esféricas extremamente pequenas de sílica amorfa SiO2 (TAYLOR, 1992).
A sílica, na forma de material vítreo, é muito reativa e o pequeno tamanho das partículas
acelera as reações com o Ca(OH)2, produzido na hidratação do cimento Portland. As pequenas
partículas de sílica ativa entram no espaço entre as partículas de cimento, melhorando, assim,
a compacidade da pasta.
O grão de sílica ativa é muito pequeno, o Blaine por adsorção de nitrogênio, chega
a valores de 20 000 m²/kg, que chega a ser 20 vezes maior do que a área específica de outros
materiais pozolânicos, sendo que grande parte das partículas têm diâmetro entre 0,03 µm e 0,3
µm. Um material tão fino tem uma massa unitária muito baixa, entre 200 kg/m³ a 300 kg/m³.
O manuseio deste material é difícil e caro, por esse motivo, a sílica ativa é encontrada em
pelotas, isto é, aglomerados de partículas produzidos por aeração, com massa unitária de 500
kg/m³a 700 kg/m³ (NEVILLE, 1997). A Tabela 2.10 apresenta um resumo das principais
propriedades físicas da sílica ativa, baseado em Morais (2001).
42
Tabela 2.10 - Resumo das principais propriedades físicas da sílica ativa (MORAIS, 2001)
Propriedade
Tamanho médio
Descrição
Em média 100 vezes mais fino que o cimento
Área específica
De 20.000 m²/kg a 25.000 m²//kg
Forma das partículas
Esféricas
Massa Específica
Da ordem 2.200 kg/m³
Massa Unitária
Em torno de 600 kg/m³ p/ produto compacto
Coloração
Cinza
A sílica ativa possui duas importantes características. Primeiramente a mitigação
da RAA, uma das primeiras motivações que levou à sua utilização neste trabalho e a segunda
o efeito microfiller, que pode ser considerado uma das principais propriedades da sílica ativa.
2.3.1 Propriedades da SA
A utilização da sílica ativa juntamente com o cimento Portland acelera a
hidratação da alita (C3S) e diminui a quantidade de água não-evaporável se comparada com
pastas puras de cimento Portland (TAYLOR, 1992). A Tabela 2.11 apresenta algumas
propriedades da sílica ativa de acordo com dois fabricantes.
43
Tabela 2.11 - Comparativo entre as propriedades químicas e físicas de duas sílicas ativas oriundas de
dois fabricantes.
Propriedades químicas e físicas
Fabricante 01
Fabricante 02
SiO2 (%)
>90
>85
Umidade do material embalado
<1,0
<3,0
Perda ao fogo (%)
<3,0
-
Material retido na peneira 45 um (%)
<1,5
-
Densidade real (kg/m³)
-
2220
Densidade aparente (kg/m³)
600
-
Fazendo-se uma comparação entre as sílicas ativas oriundas dos dois fabricantes,
observa-se que as duas possuem uma porcentagem de dióxido de silício acima de 85%. A
reação de hidratação que ocorre com a sílica ativa pode ser simplificada como sendo a reação
entre a sílica ativa e o hidróxido de cálcio, conforme mostra a Equação 2.1 (RAO, 2003).
2SiO2 + 3Ca(OH)2
C3S2H3
Equação 2.1
Na hidratação do cimento Portland comum, cerca de 15 a 25% de hidróxido de
cálcio (CH) em volume é formado, sendo necessário até 25% de sílica ativa para consumir a
maior parte do CH liberado aos 28 dias. Através da difração de raios -X observa-se que a
relação CaO/SiO2 do C-S-H diminui consideravelmente com o aumento do teor de sílica
ativa, influenciando também nos tipos de C-S-H obtidos. Para relação Ca/SiO2 abaixo de 1,5
são formados a tobermorita 14Å, 11,3Å e 9,35Å com alto grau de cristalinidade e o C-S-H (I),
com baixa cristalinidade. Para a relação acima de 1,5 são formados a tobermorita 12,6Å e
10Å, com alta cristalinidade, e o C-S-H (II) com baixa cristalinidade (TAYLOR, 1992).
A sílica ativa possui uma tendência de se aglomerar quando misturada com o
cimento Portland, sendo esta aglomeração causada, principalmente, pela ação das forças
eletrostáticas de contato (MITCHELL et al., 1998). A variação granulométrica nesse caso
pode ser de partículas menores que 10 mm até 0,5 mm. A sílica aglomerada irá interferir na
velocidade em que ocorrerá a reação pozolânica, já que uma camada de C-S-H formada pela
reação pozolânica pode se depositar na superfície da partícula de sílica aglomerada
bloqueando a continuidade da reação.
44
Por outro lado, partículas de sílica ativa podem agir como ponto de nucleação
acelerando as reações de hidratação do Cimento Portland (MITCHELL et al., 1998).
As partículas de sílica ativa, observadas através de um microscópio eletrônico
aparecem como um conjunto de partículas aglomeradas (Figura 2.7).
Sob a microscopia eletrônica de varredura (MEV) as partículas parecem ser
esféricas e lisas (Figura 2.8). As partículas possuem diferentes tamanhos, mas são
perfeitamente esféricas. Esta forma esférica é conseqüência de sua origem, isto é, a
condensação de um vapor. Este processo é atualmente usado nas indústrias para a fabricação
de micro-esferas de diferentes materiais (MALHOTRA et al., 1987).
Figura 2.7 – Microscopia eletrônica de um aglomerado de sílica ativa. A partícula maior é composta
por muitas partículas individuais de sílica ativa (MITCHELL et al., 1998)
45
Figura 2.8 - Microscopia eletrônica de partículas esféricas de sílica ativa, mostrando que as partículas
apresentam ser lisas (MITCHELL et al., 1998)
2.3.2 Composição química da SA
Segundo Malhotra et al. (1987) a porcentagem de silício (Si) em diferentes sílicas
ativas mostra uma grande variação. A tabela 2.12 mostra as composições químicas das sílicas
ativas mais produzidas. A sílica ativa originária da produção da liga de SiMn apresentou a
menor concentração de dióxido de silício (25% de SiO2), enquanto que sílica ativa originária
da produção de Si apresentou 94% de dióxido de silício.
46
Tabela 2.12 - Composição química de diferentes sílicas ativas em porcentagem (MALHOTRA et al.,
1987).
Origem da sílica ativa
Componente
Si
FeSi -75%
FeSi - 75%
FeSi - 50%
FeCrSi
CaSi
SiMn
(%)
(%)
(%)
(%)
(recuperação
(%)
(%)
SiO2
94
89
90
83
83
53,7
25
Fe2O3
0,03
0,6
2,9
2,5
1,0
0,7
1,8
Al2O3
0,06
0,4
1,0
2,5
2,5
0,9
2,5
CaO
0,5
0,2
0,1
0,8
0,8
23,2
4,0
MgO
1,1
1,7
0,2
3,0
7,0
3,3
2,7
Na2O
0,04
0,2
0,9
0,3
1,0
0,6
2,0
K2O
0,05
1,2
1,3
2,0
1,8
2,4
8,5
C
1,0
1,4
0,6
1,8
1,6
3,4
2,5
S
0,2
-
0,1
-
-
-
2,5
MnO
-
0,06
-
0,2
0,2
-
36,0
LOI
2,5
2,7
-
3,6
2,2
7,9
10,0
de calor) (%)
As principais ligas de silício produzidas em fornos com arco elétrico submergido
segundo Malhotra et al. (1987) são:
1) Ferrosilício:
•
Ferrosilício 90%, contendo de 92 a 95% de silício;
•
Ferrosilício 85%, contendo de 83 a 88% de silício;
•
Ferrosilício 75%, contendo de 74 a 79% de silício (esta é a liga mais produzida);
•
Ferrosilício 65%, contendo de 65 a 70% de silício;
•
Ferrosilício 50%, contendo de 47 a 51% de silício (esta liga é produzida
exclusivamente nos Estados Unidos);
•
Ferrosilício 22%, contendo de 22 a 24% de silício;
•
Ferrosilício 15%, contendo de 14 a 17% de silício.
47
2) Ferrocromo - silício:
•
FeCrSi – 48%, contendo de 46 a 49% de silício;
•
FeCrSi – 43%, contendo de 41 a 45% de silício;
•
FeCrSi – 40%, contendo de 38 a 42% de silício.
3) Silicato de cálcio:
•
A liga de CaSi é produzido através da redução de uma mistura de cal e silício com
carvão e contendo de 60 a 65% de silício.
4) Silicato de cálcio e manganês:
•
CaMnSi, contendo de 53 a 59% de silício.
5) Silicato de manganês:
•
SiMn, contendo de 18,5 a 21%, 16 a 18,5% ou de 12,5 a 16% de silício.
6) Ferrosilício de magnésio:
•
FeMgSi – 9% de magnésio, contendo de 44 a 48% de silício;
•
FeMgSi – 5% de magnésio, contendo de 44 a 48% de silício.
2.3.3 Modificações físicas causadas pela SA
Estudos desenvolvidos por Hasparyk (1999) demonstram o efeito benéfico da
sílica ativa através de ensaios de expansão (ASTM C–1260), seguidos por análises de MEV.
As composições químicas dos géis encontradas foram alteradas, sendo a concentração de
álcalis do gel reduzida na medida em que se aumentou o teor de sílica ativa.
Kurdwoski e Wczelik (1983) misturaram sílica ativa no estado amorfo com C3S
em uma relação molar de C3S/SiO2 de 0,5 a 3,33 e acompanharam a velocidade da hidratação
até 24 horas. A Figura 2.9 mostra as curvas de evolução de calor de C3S contendo diferentes
48
proporções de SiO2. Observa-se um pico de aumento com aproximadamente 8 horas na
mistura de C3S pura (sem adição de SiO2). Com o aumento de adição de SiO2, o primeiro pico
é intensificado e o período de indução diminui. Sendo que com baixas relações C3S/SiO2 o
segundo pico parece desaparecer.
Com os resultados obtidos com relações de C3S/SiO2 iguais a 1 e 0,4 é evidente
Evolução do calor (unidade arbritaria)
que a adição de SiO2 acelera o desaparecimento de C3S Figura 2.10.
Minutos
(Tempo)
horas
Figura 2.9 - Evolução do calor em amostras de C3S contendo sílica (KURDWOSKI; WCZELIK ,
C3 S %
1983)
Tempo (horas)
Figura 2.10 - Influência da sílica na hidratação do C3S. (KURDWOSKI; WCZELIK , 1983)
49
Conclusões similares podem ser tiradas do trabalho de Ogawa et al. (1980), que
utilizou uma sílica contendo 87,8% de SiO2 e com uma área superficial igual a 6,7x10³ m²/kg.
A análise da hidratação do C3S mostra que com 1 dia obteve-se uma hidratação do C3S
equivalente a 40%, sendo que na presença da sílica este valor alcançou 80% de hidratação do
C3S.
A Figura 2.11, mostra as diferentes quantidades de hidróxido de cálcio (Ca(OH)2)
formadas em diferentes idades de hidratação. Apesar de que com um dia de idade a
quantidade de Ca(OH)2 é maior na amostra com adição de sílica, aos 7 dias existe uma maior
quantidade de Ca(OH)2 na amostra com C3S puro. As baixas quantidades de Ca(OH)2 em
idades maiores de hidratação pode ser atribuída a reação entre o SiO2 e o Ca(OH)2. Sendo
assim, pode-se concluir que a quantidade de hidróxido de cálcio diminui com o aumento de
Ca(OH)2 %
SiO2 devido a reação entre eles durante a hidratação.
Tempo (dias)
Figura 2.11 - Quantidade de Ca(OH)2, em pastas de C3S-silicoso (OGAWA et al., 1980)
50
Diversos pesquisadores, nacionais e internacionais, falam sobre a necessidade de
se pesquisar a microestrutura do concreto e da argamassa, procurando, assim, produzir
materiais de elevado desempenho, Bentur e Cohen (1987), Paulon (1996), e Aïtcin (2000b).
Estes autores demonstraram que a zona de transição (interface entre o agregado e a pasta de
cimento) é a região mais frágil do concreto e que as pozolanas diminuem a espessura desta
zona de transição. Esta interface entre o agregado e a pasta de cimento é caracterizada como
sendo a região mais frágil do concreto ou da argamassa devido a grande formação de grandes
cristais de hidróxido de cálcio (Ca(OH)2), sendo este o material mais frágil formado na
hidratação do cimento Portland. Libório (2002) mostra que a zona de transição não é frágil
somente devido a grande quantidade de Ca(OH)2, mas, também, devido a formação de poros
nesta região. Sendo assim, na interface entre o agregado e a pasta de cimento Portland,
quando submetida a esforços de compressão, pode-se ter o início do processo de ruptura.
A sílica ativa possui duas maneiras de atuação na zona de transição. A primeira
delas, como foi dito no início do Item 2.3, é o efeito químico, onde ocorre o consumo de
hidróxido de cálcio e a formação de silicato de cálcio hidratado (C-S-H), ou seja, ocorre a
reação pozolânica, sendo que o C-S-H é um produto mais estável e resistente que o CH.
A segunda maneira de atuação da sílica ativa na zona de transição é muito mais
física do que química, ou seja, ocorre o efeito fíller, onde ocorre o preenchimento dos poros.
A sílica ativa é capaz de fazer este preenchimento de vazios, devido a sua elevada área
específica e pequeno diâmetro. Desta forma, os espaços vazios entre os grãos de cimento são
ocupados, aumentando a coesão e a compacidade da pasta e diminuindo a espessura da
interface entre o agregado e a pasta. Detwiler e Mehta (1989 apud LIBORIO, 2002)
estudaram o efeito de preenchimento dos vazios com partículas de carbono em misturas de
cimento com substituição de 10% em massa, e verificaram iguais resistências das misturas de
referência (sem substituição) para as idades de 7dias e 28dias. Goldman e Bentur (1993)
juntamente com os pesquisadores acima citados, também acreditam que qualquer pó
extremamente fino provoca este efeito fíller de preenchimento dos vazios, trazendo benefícios
ao concreto, por conta do preenchimento de vazios e do melhor empacotamento entre as
partículas.
Bentur e Cohen (1987) estudaram o efeito da sílica ativa na microestrutura da
zona de transição de argamassas com cimento Portland e verificaram a melhora desta região
devido à reação pozolânica entre o hidróxido de cálcio e a sílica ativa. As Figuras 2.12 e 2.13
mostram a diferença entre as zonas de transição entre o agregado e a pasta de cimento e o
51
aspecto da compacidade da matriz em argamassas sem e com a adição de sílica,
respectivamente.
Local onde existia um grão
de areia
Figura 2.12 - Microestrutura da zona de transição entre o agregado e a matriz de cimento (BENTUR;
COHEN, 1987)
Local onde existia um grão
de areia
Figura 2.13 - Microestrutura da zona de transição entre o agregado e a matriz de cimento com adição
de sílica (BENTUR; COHEN, 1987)
Na zona de transição entre um agregado e a pasta de cimento ocorre a formação
de uma grande quantidade de hidróxido de cálcio, como produto de hidratação do cimento
Portland. Este produto envolve totalmente o agregado como mostra a Figura 2.14, idealizada
52
por LIBÓRIO (2002), já a adição de sílica ativa minimiza ou até mesmo elimina a zona de
transição, como mostra a Figura 2.15.
Interface (espessura de 20µm a 50µm) em
argamassa
Agregado
Pasta
Figura 2.14 – Esquematização da zona de interface entre a matriz e o agregado (LIBÓRIO, 2002)
Agregado
Pasta com
Sílica Ativa
Figura 2.15 – Esquematização da melhoria da zona de interface entre agregado e pasta de cimento com
a introdução da sílica ativa (LIBÓRIO, 2002)
Carette e Malhotra (apud PAULON, 1996) observaram que a adição de 10% de
sílica ativa, em concretos com relação a/c de 0,40, aumentou a profundidade carbonatada em
longas idades, porém, esse mesmo teor de adição provocou um aumento da resistividade
elétrica do concreto para taxas capazes de prevenir a corrosão de armaduras mesmo
despassivadas. Rasheeduzzafar (apud PAULON, 1996) estudou a ação da sílica ativa sobre a
expansão do concreto devido à reação álcali-agregado e constatou que o teor de 10% em
53
substituição ao cimento foi o mais eficiente, comparado com teores de 20% de sílica ativa e
cimentos com escória de alto forno.
Em seu estudo sobre os avanços tecnológicos em concreto estruturais, Libório,
(2002) avaliou e discutiu a difusão de cloretos em pastas de cimento Portland com teores de
substituição, em massa de cimento, de 5% e 10% de sílica ativa, 10% de cinza volante e
concreto de referência (sem adição). A Figura 2.16 traz os resultados obtidos referentes a
difusão de cloretos em pasta de cimento Portland.
DIFUSÃO POR CLORETOS
Dif. Cloretos (x10-9 cm2/s)
60
50
40
30
20
10
0
CPI
10% CV
5% SA
10% SA
Figura 2.16 - Comparação da difusão de cloretos em pastas de cimento Portland (LIBORIO, 2002)
Obs.: CPI (sem adições), 10%CV (10% de cinzas volantes) e 5%SA e 10%SA (5% e 10% de sílica
ativa)
Libório (2002) descreve a somatória das ações da sílica ativa em concretos e
argamassas da seguinte forma: “...o comportamento mecânico do agregado na estrutura de
concreto, dependendo de sua forma e disposição no interior da argamassa, poderá ser
similar ao de uma viga simplesmente apoiada, sendo que com um determinado carregamento,
poderá ser rompido facilmente por flexão ou cisalhamento. Com a introdução da sílica ativa,
ocorre a diminuição desse fenômeno, comportando-se o agregado como uma viga contínua
com apoios muito próximos um do outro, aumentando assim a resistência do sistema ...”
(LIBORIO, 2002, p.16).A Figura 2.17 ilustra os conceitos descritos acima.
54
Agregado
Água
Figura 2.17 - Idealização do funcionamento de um agregado sob carregamento ocasionado por uma
deficiência da zona de interface e melhoria dessa região pela adição de sílica ativa (LIBORIO, 2002)
55
3 A REAÇÃO ÁLCALI-AGREGADO
As reações químicas entre os silicatos e aluminatos com a água são denominadas
de reações de hidratação do cimento e ocorrem quase instantaneamente, à medida que a água
entra em contato com o cimento Portland. Essas reações de hidratação evoluem de acordo
com o tempo, sob mecanismos distintos.
Inicialmente o mecanismo predominante da hidratação é a dissoluçãoprecipitação. Este mecanismo envolve a dissolução de compostos anidros em seus
constituintes iônicos, formação de hidratos na solução e, devido à sua baixa solubilidade,
precipitação de produtos hidratados. Em estágios posteriores, quando a mobilidade iônica se
torna restrita, a hidratação pode ocorrer por reações no estado sólido, denominadas de
topoquímicas (MEHTA; MONTEIRO, 1994).
O conhecimento de que alguns agregados minerais são reativos com o cimento
não é novo. Entretanto, enquanto muitas reações que ocorrem no interior das estruturas de
concreto possuem conseqüências benéficas, ou pelo menos nenhuma conseqüência adversa, a
reação álcali-agregado é motivo de preocupação.
Seus efeitos prejudiciais são originários da natureza expansiva dos produtos
formados, que conduzem à fissuração. Por sua vez, essas fissuras podem acelerar outros
mecanismos da deterioração, conduzindo à perda da integridade física, como por exemplo o
gelo-degelo, ou mesmo os mecanismos que levam em consideração a penetração de íons
externos como os íons sulfatos e cloretos das águas salinas.
Segundo Glasser (1992), a RAA deve ser estudada por causar conseqüências
físicas indesejáveis às estruturas de concreto.
O processo físico de expansão é gerado em conseqüência das reações químicas da
RAA na presença de umidade e este potencial para a reação é condicionado pela natureza
química e mineralógica dos componentes do sistema do concreto (cimento, agregado, água),
por suas condições de serviço, de temperatura, de umidade, etc.
O potencial expansivo da reação álcali-agregado é muito complexo, sendo uma
mistura de efeitos químicos e físicos. É importante recordar que os componentes químicos e
físicos da reação são virtualmente inseparáveis. Entretanto, as origens básicas do potencial
químico envolvido nas reações álcali-agregado estão claras. Determinados materiais silicosos
que ocorrem em agregados minerais naturais reagem com os componentes alcalinos do
cimento, e o volume molar aumentado dos produtos cria pressões internas devida à expansão
56
(GLASSER, 1992). Quando estas pressões não podem ser acomodadas ou contidas dentro do
concreto endurecido, ocorre a expansão e a fissuração. Consequentemente, não é ainda
possível medir um único parâmetro químico, ou mesmo diversos parâmetros, e correlacionálos com o potencial expansivo da reação (GLASSER, 1992).
Segundo Kihara (1997) a carbonatação pode influenciar na química da reação
álcali-agregado, uma vez que a carbonatação minimiza a formação dos produtos da RAA, por
consumir os hidróxidos de cálcio, sódio e potássio, segundo as reações mostradas nas
Equações 3.1 e 3.2 (FIGUEIREDO, 1994).
CO2 + Ca(OH)2
CO2 + 2(Na, KOH)
(H2O)
(H2O)
CaCO3 + H2O
Equação (3.1)
Na, K2CO3 + H2O
Equação (3.2)
Com base nos estudos desenvolvidos por Kihara (1997), como conseqüência
destas reações, ocorre a diminuição da permeabilidade das soluções alcalinas no interior das
amostras, limitando a sua freqüência às regiões de bordas das barras de argamassa nas
amostras, com os agregados mais reativos (calcedônia e pyrex), o mesmo não ocorrendo nos
agregados menos reativos (granito milonitizado). A eficiência da pré carbonatação das barras
de argamassas é comprovada pela ausência de raias de difração de raios-X de Ca(OH)2. Os
ensaios de reatividade foram realizados em argamassas submetidas a uma pré-carbonatação.
No caso do vidro pyrex, a redução da expansão foi bastante elevada atingindo 98%. Para a
calcedônia a expansão foi de 90% e de 68% para o granito milonitizado.
Em estudos realizados por Prezzi et al. (1997) os ensaios de expansão em barras
de argamassa indicaram que a valência dos cátions interfere no gel resultante da RAA, de tal
modo que sais de cátions monovalentes produziram maiores expansões do que os sais de
cátions divalentes e trivalentes. Neste estudo, para os sais de cloreto adicionados a uma
concentração molar igual a 1, as expansões aumentaram com o tipo de cátion na seguinte
ordem:
Al+³ < Ca+² < Mg+² < Li+ < K+ < Na+
Já para os sais de cloreto adicionados a uma concentração molar inicial igual a 2,
as expansões aumentaram na seguinte ordem:
Ca+² < Mg+² < Li+ < K+ < Na+
57
É interessante ressaltar que os hidróxidos de sódio, potássio e cálcio são
elementos básicos, uma vez que, durante as suas dissociações, podem produzir íons OH(hidroxilas).
O hidróxido de sódio e potássio são classificados como monobases, pois
produzem apenas um íon OH- por fórmula de base dissolvida; já o hidróxido de cálcio é
classificado como uma dibase, pois produz dois íons OH- por fórmula de base dissolvida.
Segundo Glasser (1992), a alcalinidade da solução dos poros do concreto é
dominada principalmente pelos álcalis sódio e potássio, e não pelo cálcio. Um dos motivos
para esta alcalinidade ser dominada pelos álcalis sódio e potássio é a solubilidade em água
destas bases. A Tabela 3.1 indica a quantidade em gramas de algumas bases que se dissolvem
em 1 litro de água, à 20ºC.
Tabela 3.1 - Solubilidade (em g) de base em 1 litro de água à 20º C (USBERCO et al. 1995)
Base
Solubilidade (g/l)
Base
Solubilidade (g/l)
CsOH
3875
Ca(OH)2
1,65
KOH
1120
Mg(OH)2
0,009
NaOH
1090
Al(OH)3
0,008
Ba(OH)2
38,9
Fe(OH)2
0,001
Sr(OH)2
3,9
Fe(OH)3
0,0000001
A Tabela 3.1 mostra que as bases dos metais alcalinos (família IA da Tabela
Periódica) são as mais solúveis, e que a ordem crescente de solubilidade dessas bases será
(USBERCO et al.,1995):
LiOH < NaOH < KOH < RbOH < CsOH
Ordem crescente de solubilidade.
Comparando-se a solubilidade das bases desses metais com a solubilidade das
bases dos metais alcalinos terrosos, conclui-se que a solubilidade destes últimos é bem
58
inferior, ou seja, são pouco solúveis. A ordem crescente de solubilidade das bases dos metais
alcalinos terrosos será:
Be(OH)2 < Mg(OH)2 < Ca(OH)2 < Sr(OH)2 < Ba(OH)2
Ordem crescente de solubilidade.
A força das bases pode ser relacionada com a sua solubilidade. Quanto maior for a
solubilidade de uma base, maior será o seu grau de dissociação. Sendo assim, os hidróxidos
de sódio e potássio são consideradas bases mais fortes do que o hidróxido de cálcio, por terem
um maior grau de dissociação (USBERCO et al., 1995).
3.1 REAÇÃO QUÍMICA ÁLCALI-SILICA
Segundo Vivian (1951 apud VEIGA et al., 1997), a reação álcali-sílica não é
literalmente uma reação entre os álcalis e o agregado, e sim dos íons hidroxilas, originários da
dissociação de certos hidróxidos alcalinos, e o agregado. Esta conclusão foi baseada na
experiência com tetrametil hidróxido de amônia que reagiu produzindo produtos similares aos
encontrados quando se utilizou o hidróxido de sódio.
Na reação álcali-sílica, as partículas de agregado (SiO2), se tornam
termodinamicamente instáveis quando misturadas com o cimento (GLASSER, 1992), sendo
que o mecanismo químico da reação se desenvolve em três estágios: primeiramente o alto pH
da fase aquosa dos poros do concreto reage com a superfície do agregado (Si-O-Si) para
formar grupos silanóis que se ligam entre si através de pontes de hidrogênio, conforme mostra
a Equação 3.3.
Si – O – Si + H2O
Si – OH............OH – Si
Equação (3.3)
Este grupo silanol é um grupo ácido, segundo a definição de Lewis, onde ácido é
aquele que recebe um par de elétrons através de ligação coordenada dativa. Este grupo
participará, futuramente, nas reações com a fase aquosa básica dos poros do concreto.
59
Segundo Glasser (1992), no segundo estágio, os grupos silanóis formados reagem
com os ânios hidroxilas liberando água durante o processo, de acordo com a Equação 3.4.
Si – OH + OH-
Si – O- + H2O
Equação (3.4)
No terceiro estágio, outros grupos siloxanos são atacados pelas hidroxilas,
quebrando suas ligações, conforme mostra a Equação 3.5.
Si – O – Si + 2OH-
Si – O- + -O – Si
+ H2O
Equação (3.5)
A parte carregada negativamente (Si – O-) é então atacada pelas cargas positivas
dissociadas (Na+, K+ e Ca²+), balanceando assim as cargas dos grupos siloxanos. No limite do
processo, alguma sílica pode passar para a solução: sendo que em um alto pH, a principal
espécie de silicato solúvel é o H2SiO42- (GLASSER, 1992).
Segundo Prezzi et al. (1997) uma superfície sólida pode desenvolver carga elétrica
por substituição isomórfica de íons na estrutura do sólido, adsorção de íons e por reações
químicas na superfície do sólido. Um íon pode ser adsorvido em uma superfície formando um
complexo de esfera interna, quando nenhuma molécula de água se encontra entre o grupo
funcional de superfície e o íon, ou um complexo de esfera externa, quando pelo menos uma
molécula de água existe entre a superfície e o íon. Os íons alcalinos (sódio e potássio) são
adsorvidos nos locais onde o oxigênio possui ligações incompletas na superfície da sílica
amorfa (Si–O-), por meio de forças eletrostáticas, de modo que a troca iônica é similar ao
comportamento ácido-base (PREZZI et al., 1997).
O ataque químico dos álcalis contidos nos concretos aos agregados causa
expansão das estruturas e fissurações profundas. Os efeitos destas reações nas estruturas são
observados, geralmente, depois de 4 a 10 anos de vida, podendo continuar vagarosamente por
muitos anos. Baseado nas medições de expansão, a identificação da reação álcali-agregado se
torna bastante difícil, uma vez que muitas causas de expansão podem estar envolvidas ao
mesmo tempo em uma estrutura (BULTEEL et al., 2005).
Bulteel et al. (2005) comentam que a RAA pode ser confundida com outras
reações químicas expansivas com a formação tardia da etringita – delayed ettringite formation
(DEF), causada pelo ataque por sulfato.
A reação álcali-sílica deve ser prevenida. Segundo Feng et al. (2005), existem três
maneiras tradicionais de se prevenir a reação álcali-sílica, sendo a primeira a utilização de
60
agregados não reativos. Esta é a melhor maneira de se evitar as expansões nas estruturas de
concreto devido à reação álcali-sílica. Porém, agregados não reativos nem sempre podem
estar disponíveis nos locais das obras, além do que, sabe-se que alguns agregados se
apresentam não reativos nos testes laboratoriais e, mais tarde, em serviço, produzem
expansões deletérias devido a reação álcali-sílica (RAS). Outra medida apontada para se
prevenir a RAS é a limitação do equivalente de óxido de sódio em menos que 0,60% em
massa de cimento. Porém, essa medida nem sempre é efetiva, uma vez que certos agregados
podem soltar íons alcalinos, aumentando, assim, a concentração de hidroxilas, podendo
induzir expansões deletérias em idades mais avançadas. A terceira medida de prevenção
apontada por Feng et al. (2005) é a utilização de material cimentíceo suplementar, sendo este
procedimento sido utilizado com sucesso em muitas construções, contudo nem todos os
materiais cimentantes suplementares são igualmente eficazes no controle da RAS, uma vez
que as proporções necessárias para cada material também são distintas.
Sendo assim, Feng et al. (2005) estudaram uma quarta alternativa para prevenir a
RAS, a introdução de compostos de lítio. Neste estudo, verificou-se a fixação do lítio nos
produtos de hidratação do cimento. E estes produtos não produziram expansões em barras de
argamassa ou em testes com concretos. De acordo com Diamond (1999), deve-se ter um
cuidado especial quando se utilizar o lítio para prevenir a reação álcali-sílica, uma vez que se
o lítio utilizado for originário de compostos como o hidróxido de lítio (LiOH) e o carbonato
de lítio (Li2CO3), pode ocorrer um aumento significativo da concentração de íons hidroxilas
(OH-) nos poros do concreto e, consequentemente, no pH dos poros. Esta dosagem
inadequada de hidróxidos e sais de lítio podem então aumentar as expansões causadas devido
a reação álcali-sílica ao invés de diminuí-las.
Entretanto, ainda segundo Diamond (1999), o nitrato de lítio (LiNO3), um sal
neutro e solúvel, não gera aumento significativo na concentração de íons hidroxilas, não
trazendo o risco de acelerar a reação álcali-sílica, no Brasil, Hasparyk (2006) comprovou o
efeito benéfico do lítio (LiNO3). A Tabela 3.2 traz a solubilidade de alguns compostos à base
de lítio, sendo o mais solúvel deles o nitrato de lítio com 85% de solubilidade.
61
Tabela 3.2 - Solubilidade dos compostos de lítio, em porcentagem, segundo Lumley (1996)
Compostos
Solubilidade (g/l)
Hidróxido de Lítio – LiOH
12,8
Hidróxido de Lítio Monohidratado - LiOH.H2O
22,5
Carbonato de Lítio - Li2CO3
1,33
Fluoreto de Lítio – LiF
0,27
Cloreto de Lítio – LiCl
70
Nitrato de Lítio - LiNO3
85
Em um estudo sobre a reação da opala de Nevada com soluções de hidróxido de
lítio, hidróxido de cálcio e hidróxido de potássio Mitchell et al. (2004) observaram por
microscopia eletrônica de varredura, difração de raios X e ressonância nuclear magnética, que
a reação dos álcalis com a opala foi inibida na presença de hidróxido de lítio. Outra
observação levantada foi que a morfologia dos produtos da reação na superfície dos grãos da
opala apresentava uma barreira de proteção da seguinte natureza: opala – CH – Li+ e opala –
CH – Li+ - K+, sendo que a natureza desta barreira protetora variava de acordo com o tipo de
íon utilizado na água de amassamento.
Bulteel et al. (2000) especificaram a formação dos produtos do ácido ortosílico,
ou seja, a precipitação do H2SiO4²- pelos cátions presentes na solução dos poros do concreto,
conforme mostram as Equações 3.8 e 3.9.
2 H2SiO42- + Ca2+
2 H2SiO42- + Ca2+ + 2K
CSH
Equação (3.8)
CKSH
Equação (3.9)
Finalmente, os íons silicatos se preciptam com os cátions da solução dos poros do
concreto, formando fases C-S-H e/ou C-K-S-H e C-Na-S-H.
Diaz et al. (2005), propuseram um mecanismo de dano provocado pela reação
álcali-sílica. Este mecanismo de dano foi dividido em três partes. A primeira foi um período
de latência, onde o H2SiO42- formado a partir da dissolução do SiO5/2H e do SiO2 reage com o
hidróxido de cálcio e com os álcalis para formar C-S-H e/ou C-K-S-H e C-Na-S-H. As barras
de argamassa não se expandem durante este período.
62
No segundo período, chamado de período de expansão, a produção dos produtos
do ácido ortosílico diminui e tedem a parar, ou seja, a reação da Equação 3.6 produz mais
SiO5/2H do que a Equação 3.7 consegue consumir, observando-se, assim, um aumento regular
de SiO5/2H no agregado durante este período, sendo a transição do dióxido de silício para o
SiO5/2H expansiva e responsável pelo fenômeno da fissuração do agregado.
Finalmente, segundo Diaz et al. (2005) no terceiro e último estágio do mecanismo
proposto, os produtos das reações do H2SiO42- e do SiO5/2H preenchem as fissuras geradas
pela expansão, fazendo então uma cicatrização, onde o volume dos poros dos agregados
diminui por causa do preenchimento das fissuras.
Bulteel et al. (2000) estudaram uma séria de misturas de agregados triturados com
soluções hidróxido de cálcio, com diferentes concentrações e temperaturas, dentro de um
sistema fechado, tentando medir a cinética da reação álcali-sílica, com o intuito de melhorar a
identificação da RAA nas estruturas, fazendo diagnósticos mais quantitativos, buscando um
aprofundamento nas interações entre os mecanismos químicos e os comportamentos
mecânicos das estruturas. No final deste estudo, Bulteel et al. (2000) conseguiram concluir
que o teste de micro reator (agregado britado, solução de Ca(OH)2 e KOH), aplicado sem
material cimentante, pode ser usado para quantificar os principais passos das reações álcaliagregado.
Com base no exposto pode-se dizer que as concentrações de álcalis nos poros do
concreto, principalmente as concentrações de hidroxilas e o pH da solução dos poros são
determinantes para a ocorrência da reação álcali-sílica. Brouwers et al. (2003), ao analisarem
estas concentrações na hidratação do cimento Portland, obtiveram resultados que suportam a
idéia de que a fase C-S-H pode ser a única fase fixadora de álcalis na hidratação do cimento
portland.
3.1.1 Reação química álcali-silicato
A reação álcali-silicato pode ser classificada como sendo uma particularidade da
reação álcali-sílica, pois o seu processo é similar, porém, segundo Veiga et al. (1997), a
reação álcali-silicato é mais lenta, devido à quantidade de minerais reativos presentes na
matriz do mineral e, principalmente, na presença do quartzo deformado.
Kurtis et al. (1998) em seu estudo sobre o gel da reação álcali-silicato por meio da
microscopia de raios-X, concluiram que a sílica reativa combinada na presença de álcalis na
63
solução dos poros foi capaz de produzir um gel expansivo, enquanto que a reação da sílica na
presença de hidróxido de cálcio e nenhum álcali resultou em produtos semelhantes ao C-S-H,
provavelmente com baixo caráter expansivo, segundo os pesquisadores.
Os agregados reativos da reação álcali-silicato são os folhelhos argilosos e os
feldspatos. Segundo Paulon (1981) grãos finamente divididos de feldspatos, mesmo sem ação
de intempérie, reagem com relativa rapidez com o hidróxido de cálcio.
Van Aardt e Visser (1977), pesquisando os feldspatos, mostraram que com o
tempo o hidróxido de cálcio proveniente da hidratação do cimento reage com o feldspato,
provocando uma liberação de álcalis sob a forma de hidróxido de sódio e potássio e ou
silicatos de potássio e sódio. Em certas concentrações os silicatos de cálcio tenderão a se
dissolver em silicatos de potássio e sódio, formando um gel ou vidro que terá cálcio, sódio e
potássio, sendo este gel ou vidro parcialmente solúvel em água, constituindo um mau
elemento de ligação.
Os mesmos pesquisadores ainda apontam que rochas contendo feldspatos ricos em
cálcio são talvez menos deletérios do que rochas contendo feldspatos alcalinos. Então as
rochas com feldspatos alcalinos podem ser consideradas suspeitas em relação à reação com
álcalis do cimento.
3.2 REAÇÃO QUÍMICA ÁLCALI-CARBONATO (RAC)
Segundo Paulon (1981), a RAC ocorre com máxima intensidade quando a calcita
e dolomita estão presentes em quantidades equivalentes ou ambas estão finamente divididas.
Sendo assim, esta reação ocorre entre alguns calcários dolomíticos e a fase aquosa alcalina
presente na solução dos poros do concreto, causando expansões e fissurações. Neste tipo de
reação álcali-agregado não há formação de gel alcalino e, consequentemente, de gel
expansivo.
A reação álcali-carbonato está baseada na reação de desdolomitização com
formação de hidróxido de magnésio, conforme as Equações 3.10, 3.11, 3.12 e 3.13 (BICZOK,
1972).
CaMg(CO3)2 + 2NaOH
Mg(OH)2 + CaCO3 +Na2CO3
Dolomita
Brucita
Calcita
Equação (3.10)
64
Na2CO3 + Ca(OH)2
2NaOH + CaCO3
Equação (3.11)
CaMg(CO3)2 + 2KOH
Mg(OH)2 + CaCO3 +K2CO3
Equação (3.12)
Dolomita
Brucita
K2CO3 + Ca(OH)2
Calcita
2KOH + CaCO3
Equação (3.13)
O carbonato alcalino produzido na reação de desdolomitização reage com os
produtos de hidratação do cimento regenerando os álcalis na forma de hidróxidos alcalinos. A
reação de desdolomitização (Equações 3.10 e 3.12) continuará até que toda a dolomita tenha
sido consumida, ou até que a concentração de álcalis tenha sido reduzida pelas reações de
hidratação secundárias (BICZOK, 1972).
Segundo Tang et al. (1991 apud SILVEIRA, 2006), outro mecanismo proposto
para a RAC é que com o desenvolvimento da brucita entre a camada reativa da calcita e da
matriz forma-se um espaço restrito, sendo que íons e moléculas de água migram para dentro
deste espaço restrito causando expansão. Minerais de argila, neste mecanismo, apenas
providenciam caminhos através do qual a solução alcalina pode penetrar.
Vale ressaltar que algumas rochas carbonáticas podem conter quartzo, quartzo
micro ou criptocristalino podendo, assim, estes agregados provocarem RAS. Nestes casos, é
difícil confirmar se a deterioração foi causada pela RAS ou pela RAC (SILVEIRA, 2006).
Silveira (2006) em seu estudo sobre a reação álcali-agregado em rochas
carbonáticas concluiu que a RAC é diagnosticada pela existência de várias feições macro e
microscoscópicas associadas: fraturas, bordas de reação, microfraturamento, neoformação de
carbonatos e de minerais contendo magnésio. Outra conclusão encontrada foi que a textura
das rochas potencialmente reativas se caracteriza pela matriz calcítica fina com argilas e
quartzo, contendo romboedros de dolomita.
Ding-Yan et al. (2004) utilizaram dois agregados carbonáticos, cada um com
3,74% e 5,67% de dióxido de silício, respectivamente, em sua investigação da reação álcaliagregado e observou a ocorrência da reação álcali-sílica nestes dois agregados. Porém,
também foi evidenciada a reação álcali-carbonato. Sendo assim a RAS pode ocorrer mesmo
em agregados carbonáticos não silicosos contendo baixos teores de SiO2. Outra observação
constatada foi que tanto a RAC quanto a RAS podem ocorrer simultaneamente em certos
agregados.
65
Ding-Yan et al. (2004), analisando a reação álcali-carbonato, propuseram a
utilização de cinza volante para diferenciar a reação álcali-sílica da reação álcali-carbonato,
uma vez que a cinza volante se mostrou muito mais efetiva na redução das expansões devido
a RAS do que nas reduções devido a RAC.
3.3 PRINCIPAIS ENSAIOS PARA A AVALIAÇÃO DA REAÇÃO ÁLCALIAGREGADO (RAA)
Com o objetivo de se determinar a reatividade de um agregado diversos métodos
são utilizados, direcionando os pesquisadores, engenheiros e técnicos a fazerem as escolhas
adequadas de utilização de um agregado, evitando assim que danos ocorram a uma estrutura
de concreto com o tempo. A seguir são descritos os principais métodos para a avaliação da
reação álcali-agregado (RAA) em concretos.
3.3.1 Análise Petrográfica ASTM 295 (ASTM, 1997), ASTM 856 (ASTM, 1997) e NBR
7389 (ABNT, 1992)
A análise petrográfica fornece informações importantes sobre a composição
mineralógica dos agregados usados em concretos, podendo detectar a presença de minerais
potencialmente reativos com os álcalis do cimento. Este método de ensaio pode ser realizado
baseando-se nas normas ASTM 295 (ASTM, 1997), ASTM 856 (ASTM, 1997) e NBR 7389
(ABNT, 1992). Segundo a NBR 7389 (ABNT, 1992) a apreciação petrográfica é um estudo
macroscópico, se necessário com utilização de lupa, dos materiais naturais, identificando seus
elementos constituintes e propriedades, visando à sua utilização.
A Tabela 3.3 traz um resumo exemplificando uma análise petrográfica.
66
Tabela 3.3 - Resumo dos resultados obtidos da análise petrográfica dos agregados graúdos
(ANDRADE et al., 2006)
Classificação
Natureza
Granito
Ígnea
Granito gnaisse
Ígnea
Biotita granito
Ígnea
Biotita granito
Ígnea
Milonito
gnaisse
Metamórfica
Biotita granito
Ígnea
Observações
Granulação grossa a média.
Maioria do quartzo com extinção ondulante de alto grau
(>25º).
Presença de K-feldspato.
Granulação média a fina.
Quartzo com extinção ondulante moderada (<25º).
Mostrou feições texturais evidenciando deformação
tectônica.
Presença de K-feldspato.
Granulação muito grossa.
Quartzo com intensa extinção ondulante (>25º).
Presença de K-feldspato.
Granulação muito grossa.
Quartzo com extinção moderada a forte.
Presença de K-feldspato.
Granulação média e fina.
Textura cataclástica, evidenciada pela fragmentação dos
cristais de feldspatos, com freqüente extinção ondulante.
Presença de K-feldspato.
Rocha originalmente granítica, submetida a deformação
e recristalização (principalmente do quartzo).
Quartzo estirado e de granulometria muito fina.
Granulação média a muito grossa.
Extinção ondulante moderada a forte.
Presença de K-feldspato.
3.3.2 Microscopia estereoscópica
A Microscopia estereoscópica é um método de avaliação no qual se utiliza o
microscópio estereoscópico de luz refletida (ou lupa binocular) para a análise das amostras de
concreto e/ou argamassas em superfícies de fratura ou semi-polidas. Nesta análise de
investigação preliminar uma observação dos aspectos estruturais dos concretos (fissuras,
porosidade, bordas de reação ao redor dos agregados e presença de produtos de RAA) é
realizada.
A Figura 3.1 é uma micrografia estereoscópica de uma argamassa feita por
Hasparyk (1999) em seu estudo sobre os mecanismos da reação álcali-agregado - efeitos da
cinza de casca de arroz e da sílica ativa, a principal característica registrada nesta micrografia
estereoscópica é a presença de material vítreo preenchendo totalmente o poro.
67
1mm
Figura 3.1 - Amostra de referência com quartzito: poro com aspecto vítreo (HASPARYK, 1999)
3.3.3 Microscopia ótica
A microscopia ótica é realizada com um microscópio polarizador de luz
transmitida e é fundamentado na observação de lâminas delgadas (com aproximadamente
0,02 mm de espessura), confeccionadas com amostras dos agregados ou dos concretos a
serem estudados. No caso dos agregados, a investigação determina a classificação
petrográfica dos mesmos através da descrição mineralógica (com ênfase na identificação dos
minerais deletérios), textural e estrutural, sendo esta última voltada, principalmente, para a
deformação tectônica dos cristais de quartzo, que quando aparecem com sua estrutura
cristalina muito deformada, são potenciais causadores da reação álcali-agregado.
No caso de concretos, a análise petrográfica, além de classificar litologicamente
os agregados, determina a ocorrência de microestruturas provenientes da RAA, tais como:
bordas de reação ao longo dos agregados e a presença de micro-fissuras causadas pela
expansão do gel formado. A partir da análise dos diferentes parâmetros microscópicos dos
agregados, podem-se identificar os potenciais condicionadores da RAA.
Silveira et al. (2006), através de micrografias óticas, mostra películas cortando
tanto o agregado como a argamassa. Associadas à presença dessas películas ocorrem bordas
de reação, principalmente no agregado (Figura 3.2).
Evidenciadas através da diferença de coloração pela microscopia ótica, poros
parcialmente preenchidos também foram observados (Figura 3.3).
68
Estas ocorrências conjuntas revelam indícios do desenvolvimento da RAA.
Figura 3.2 – Imagem por microscopia ótica mostrando fissuras que cortam tanto o agregado como a
argamassa. Nessas fissuras encontram-se películas ou filmes e poros preenchidos (P) (SILVEIRA et
al., 2006)
Figura 3.3 - Imagem por microscopia ótica mostrando as bordas da reação (B), evidenciadas através da
diferença de coloração (SILVEIRA et al., 2006)
69
3.3.4 Método Osipov (Térmico)
O método Osipov (Térmico) foi desenvolvido pelo engenheiro Albert Osipov, do
Institute Hydroproject de Moscou e consiste em submeter o agregado graúdo, nas dimensões
de 20 mm a 50 mm, à temperatura de 1000ºC, durante 60 segundos. O método baseia-se na
idéia de que um agregado contendo fase mineralógica reativa, ao ser exposto à temperatura
elevada se fragmentará dando indícios de sua potencialidade expansiva, caso seja colocado
em condições propícias. Por outro lado, a não fragmentação do agregado não dá subsídios
para conclusões finais a respeito do comportamento não reativo, sendo necessário um estudo
complementar, empregando outros métodos.
A Figura 3.4 traz um exemplo de um agregado reativo ensaiado pelo método
Osipov (Térmico).
Figura 3.4 - Ensaio Térmico em material deletério (GAMINO, 2000)
3.3.5 Método Químico NBR 9774 (ABNT, 1987) e ASTM 289 (ASTM, 1997)
O Método Químico permite avaliar a reatividade potencial álcali-sílica de um
agregado por meio da relação entre a concentração de sílica dissolvida e a redução de
alcalinidade. As normas NBR 9774 (ABNT, 1987) e ASTM 289 (ASTM, 1997) prescrevem
esta metodologia. Neste método, deve ser utilizado um agregado graduado e retido na peneira
ABNT n.º 100 (0,150 mm), imergindo-o em uma solução de hidróxido de sódio (NaOH) a 1
N, a temperatura de 80ºC por 24 horas. Após esta imersão, determina-se a sílica dissolvida
pelo método gravimétrico, ou por fotometria, e a redução de alcalinidade da solução de
70
NaOH. Com base nestes resultados, é possível correlacioná-los por meio de um gráfico que
classifica a potencialidade do agregado estudado em três níveis: inócuo (não reativo),
potencialmente deletério e deletério (material reativo). Apesar de ser um ensaio rápido, este
método não é totalmente confiável. Portanto, seus resultados devem ser avaliados em
conjunto com outros métodos.
A Figura 3.5 mostra que com os valores obtidos nesse ensaio, é possível
classificar a potencialidade do agregado estudado em: inócuo, deletério e potencialmente
deletério.
700
650
Redução de Alcalinidade (Milimoles por Litro)
600
550
500
450
400
350
Agregados considerados inócuos
300
250
BASALTO
200
Agregados
considerados
potencialmente
deletérios
150
Agregados
considerados
deletérios
100
50
QUARTZITO
0
Sílica Dissolvida (Milimoles por Litro)
Figura 3.5 - Comportamento dos agregados de acordo com o método químico NBR 9774 (ABNT,
1984) (HASPARYK, 1999)
Segundo a Figura 3.5, ao se correlacionar os resultados de sílica dissolvida (eixo
das abscissas) com a redução da alcalinidade (eixo das ordenadas) os agregados analisados
71
(basalto e quartzito) se encontram em regiões delimitadas para agregados considerados como
tendo um comportamento inócuo.
3.3.6 Ensaio em barras de argamassa NBR 9773 (ABNT, 1987) e ASTM 227 (ASTM,
1997)
Ensaio bastante utilizado que tem por objetivo investigar a reação álcali-sílica a
partir da análise das variações do comprimento de barras de argamassa, sendo estas
armazenadas em recipientes hermeticamente isolados, com atmosfera saturada de vapor
d’água a 38°C. Devem ser preparadas 4 amostras com relação cimento:agregado de 1:2,25,
com dimensões de 25 mm x 25 mm x 285 mm. O cimento deve apresentar elevado
equivalente alcalino maior que 0,60%.
Após o desmolde, são realizadas leituras de comprimento das barras de argamassa
em intervalos de tempo que são de 24hs, 14 dias, 1 mês, 2 meses, 4 meses e 6 meses. Os
resultados devem ser expressos em porcentagem de expansão, obtidos pela média das 4
barras.
Expansões que excederem 0,05% aos 3 meses ou 0,10% aos 6 meses serão
consideradas excessivas, podendo ocasionar reações nocivas.
3.3.7 Ensaio Acelerado em barras de argamassa ASTM 1260 (ASTM, 2005) e ASTM
1567 (ASTM, 2004)
Desenvolvido por Oberholter em 1985 (NBRI- National Building Research
Institut South Africa), estes método utilizam as barras fundamentadas no método ASTM C227 e NBR 9773, sendo estas imergidas em uma solução de hidróxido de sódio (NaOH) em
uma temperatura de 80°C, por um período de 28 dias.
Devem ser moldados 3 corpos-de-prova os quais terão uma leitura diária de
expansão, sendo a do 16° dia a de referência para comparação com o valor limite. Se as
expansões forem inferiores a 0,10% no 16° dia, indentifica-se um comportamento inócuo.
Porém, se ocorrerem expansões superiores a 0,20%, uma grande possibilidade de ocorrência
72
de expansões nocivas existirá. Se os valores ficarem compreendidos entre 0,10% e 0,20%,
sugere-se que sejam feitas investigações adicionais.
Enquanto que a ASTM 1260 (ASTM, 2005) avalia a potencialidade reativados
agregados em barras de argamassa, a ASTM 1567 (ASTM, 2004) permite a análise aos 16
dias da reatividade deletéria da combinação de materiais cimentícios e agregados em barras de
argamassa. Segundo a norma americana ASTM 1567, caso adições como a sílica ativa ou
metacaulim sejam utilizadas em substituição ao cimento portland, um aditivo redutor de água
deverá ser utilizado, quando necessário, para prover dispersão e trabalhabilidade adequada
para a mistura de forma que a consistência seja mantida na faixa de +7,5% em relação à
amostra de referência (sem adição). Para manter a relação água:aglomerante igual a 0,47, a
água do aditivo deve ser descontada.
3.3.8 Ensaio do cilindro de rocha NBR 10340 (ABNT, 1991) e ASTM 586 (ASTM, 1997)
Este método é utilizado para avaliar as características expansivas das rochas
carbonáticas. O testemunho cilíndrico deve possuir diâmetro de 9 mm e comprimento de
35mm, e sendo imerso em água destilada até ocorrer a variação mínima de comprimento (<
0,02 %). Nessa fase será realizada a primeira leitura de referência. Em seguida, a amostra é
imersa em um recipiente com solução de NaOH. Sela-se e mantém-se o conjunto em
temperatura ambiente de 23°C + 2°C. Por meio de um aparelho comparador, serão realizadas
leituras de comprimento nas idades de 7, 14, 21 e 28 dias e subseqüentes em intervalos de 4
semanas. Segundo a norma americana ASTM 586 (ASTM, 1992), expansões superiores a
0,10% são um indicativo de ocorrência RAA.
A Figura 3.6 traz um exemplo de investigação da reação álcali-carbonato em
rochas carbonáticas de acordo com a ASTM C-586, realizada por Silveira et al. (2006), no
qual foi avaliada a RAA em rochas carbonáticas. A Figura 3.6 mostra os resultados de
expansão dos testemunhos cilíndricos, encontrados por Silveira et al. (2006), de 5 rochas nas
idade de 180 e 365 dias.
73
1.60
1.45
180
1.30
365
Expansão (%)
1.15
1.00
0.85
0.70
0.55
0.40
0.25
0.10
-0.05
Calcário
recristalizado
Calcilutito
(289)
Calcilutito
(286)
Bio-calcilutito Bio-calcilutito
dolomítico
dolomítico
(290)
(291)
Figura 3.6 - Reatividade potencial para rochas carbonáticas – Método do Cilindro de Rocha
(SILVEIRA et al., 2006).
Com base no ensaio realizado (Figura 3.6), atesta-se a potencialidade reativa pela
reação álcali-carbonato apenas para as 2 rochas de litotipo bio-calcilutito dolomítico. As
demais rochas não apresentaram taxas de expansão.
3.3.9 Método dos Prismas de Concreto ASTM 1293 (ASTM, 1997) e CSA A23.2-14A
(CSA, 1996)
3.3.9.1 Avaliação da reação álcali-sílica
Padronizado e amplamente testado no Canadá (norma CSA A23.2-14A), o
método dos prismas de concreto foi aceito em vários outros países (norma americana ASTM
1293) e é considerado como sendo um método de ensaio eficiente para prever o
comportamento de agregados em serviço.
Este método tem como norma de referência a norma americana ASTM 1293
(ASTM, 1997) e a norma canadense CSA A23.2-14A (CSA, 1996). O método permite a
avaliação da reação álcali-sílica, por meio da variação do comprimento de prismas de
concreto. Pela expansão, avalia-se a potencialidade reativa do agregado como agente na
74
reação álcali-sílica com os íons alcalinos. Deve-se utilizar para o preparo das amostras de
concreto (3 prismas de concreto com dimensões de 75 mm x 75 mm x 285mm) um agregado
miúdo não reativo (expansões inferiores a 0,10% aos 16 dias pelo método ASTM 1260
(ASTM, 1994). O agregado graúdo, com dmáx 19mm, deve corresponder a 70% do volume
do concreto e ter frações iguais de 33% de 19 mm, 12,5 mm e 9,5mm, em peso. A relação
água/cimento (a/c) deve estar entre 0,42 e 0,45, em massa. Para aumentar o teor alcalino é
dissolvido hidróxido de sódio (NaOH) a 1N na água de mistura. A leitura que servirá de
referência deve ser feita logo após o desmolde da amostra à idade de 23,5 + 0,5 horas. Depois
disso, ela deverá permanecer em ambiente climatizado com temperatura de 38°C + 2°C. Serão
feitas leituras aos 7 dias, 28 dias, 56 dias, 3 meses, 6 meses, 9 meses e 12 meses.
Segundo a ASTM 1293 (ASTM, 1997), o agregado será considerado deletério se
ocorrer expansão superior a 0,04% após 12 meses.
3.3.9.2 Avaliação da reação álcali-carbonato ASTM C-1105 (ASTM, 1997)
Por meio da variação de prismas de concreto confeccionados com determinados
agregados dolomíticos (dolomitos calcíticos ou calcários dolomíticos), avalia-se a
potencialidade de reação de rochas carbonáticas. Os agregados e o cimento utilizados devem
ter as condições descritas no método da ASTM 1105 (ASTM, 1997).
Devem ser prepararados 6 prismas de concreto nas dimensões de 75 mm x 75 mm
x 285 mm. A dosagem deve seguir as instruções da ASTM 233 (ASTM, 1997). O desmolde
deverá ser após 24 horas de cura, em água saturada com cal, a 23°C, por no mínimo 30
minutos. Em seguida é feita a primeira leitura de referência. A próxima leitura será realizada
no 7° dia. Na seqüência, os prismas são colocados em câmara úmida, sem imersão de água,
sendo realizadas leituras aos 56 dias, 3 meses, 6 meses, 9 meses e 12 meses.
Será considerada uma expansão com potencial deletério na combinação
cimento:agregado, se ocorrerem expansões superiores a 0,015% aos 3 meses, 0,025% aos 6
meses, ou 0,030% aos 12 meses. Esses valores serão obtidos pela média das 6 amostras.
Cabe ressaltar que a Associação Canadense de Padronização (CSA) possui a
norma CSA A23.2-14A-M90 (CSA, 1996). Uma para avaliação da reação álcali-carbonato e a
outra para avaliação da expansão lenta/tardia devida à reação álcali-sílica/silicato. A ASTM
teve como referência esta norma canadense na confecção do Test Method 1293 (ASTM,
1997).
75
3.3.10 Método dos prismas de concreto (versão acelerada)
A norma americana ASTM 1293 (ASTM, 1997) e a canadense CSA A23.2-14A
(CSA, 1996) prescrevem o método de ensaio em prisma de concreto como sendo o método de
avaliação da RAA em concretos durando 1 ano de ensaio. Porém, uma versão acelerada do
método foi elaborada por pesquisadores da França e América do Norte (Fournier et al, 2006),
executando o ensaio a 60ºC ao invés de 38ºC, tendo, o seu tempo de ensaio reduzido de um
ano para três meses, aumentando sua praticidade.
O ensaio de prismas de concreto é utilizado em diversos países como um ensaio
eficiente para analisar a reação álcali-agregado, porém sua grande desvantagem está no prazo
de execução, de um ano de duração, sendo este um prazo excessivo quando se faz necessária a
construção em menos tempo de estruturas com os materiais estudados. Sendo assim, ensaios
acelerados em prismas de concreto estão sendo desenvolvidos com o objetivo de reduzir os
prazos destes ensaios para cerca de 3 meses.
3.3.11 Microscopia eletrônica de varredura
A microscopia eletrônica de varredura (MEV) possibilita diagnosticar a RAA e
classificar os diversos tipos de géis formados pela RAA. Pode-se também identificar as
bordas de reação na interface da pasta com o agregado. E a existência de gel sílico-alcalino
disperso na argamassa, poros e nas fissuras do agregado. Primeiramente, as amostras,
argamassa ou concreto, devem passar por uma análise visual, através de uma lupa
estereoscópica, para identificar os pontos de interesse. Logo após, são analisadas pelo
Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV), sendo possível correlacionar as diversas
morfologias características dos produtos encontrados e os seus produtos químicos.
O Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) é um aparelho que permite a
análise de superfície de amostras espessas por meio de imagens tridimensionais. A razão
principal de sua utilização está associada a alta resolução e à grande profundidade de foco que
pode ser atingida. De acordo com os resultados encontrados utilizando a microscopia
eletrônica de varredura, pode-se concluir sobre a presença ou não de produtos com
morfologias e composições químicas características da reação álcali-agregado (HASPARYK
et al., 1997).
76
A Figura 3.7 traz um exemplo de microscopia eletrônica de varredura, mostrando
detalhes de um gel maciço gretado revestindo o agregado graúdo.
Figura 3.7 - Gel maciço gretado revestindo o agregado graúdo – Aumento 1500x (HASPARYK et al.,
1998)
3.3.12 Determinação do Índice de Deterioração do Concreto
Baseado na metodologia desenvolvida por Grattan-Bellew e Air Danay (1992
apud HASPARYK, 1999), este método estabelece índices de deterioração do concreto através
da classificação das amostras de concreto devido aos danos provocados pela RAA. Este índice
é obtido sobre superfícies polidas do testemunho, preparadas a partir de cortes longitudinais.
Estes devem gerar em torno de 100 quadrados (áreas de 15 mm x 15 mm), que serão
examinados individualmente em microscópio estereoscópico. Em seguida, atribui-se um fator
ao número total de cada tipo de defeito, conforme Tabela 3.4. Após a soma dos resultados
obtidos através da atribuição dos pesos, calcula-se o índice de deterioração do concreto (Di).
Grattan-Bellew e Air Danay (1992 apud HASPARYK, 1999), consideram como referência
“não-reativa” um índice de deterioração com valor igual a 17.
Tabela 3.4 - Fatores de Multiplicação para o Índice de Deterioração (Grattan-Bellew e Air
Danay (1992 apud HASPARYK, 1999))
77
TIPO DE DETERIORAÇÃO
FATOR DE MULTIPLICAÇÃO
Fissura no agregado
0,25
Borda de reação em torno dos agregados
0,50
Vazios revestidos ou preenchidos com gel
0,50
Fissura com gel no agregado graúdo
2,00
Fissura na pasta de cimento
2,00
Deslocamento entre a pasta e o agregado graúdo
3,00
Fissura com gel na pasta
4,00
78
4 PROGRAMA EXPERIMENTAL
O estudo sobre a influência da CCA amorfa e cristalina e da sílica ativa na reação
álcali-agregado foi dividido em quatro etapas: escolha e caracterização dos materiais
empregados, moldagem dos corpos-de-prova, realização dos ensaios de reação álcaliagregado em barras de argamassa e em prismas de concreto e análise de íons e medidas de pH
da fase líquida dos poros em pastas de cimento. O programa proposto teve como objetivo
estudar o comportamento do agregado junto à reação álcali-agregado na presença da cinza de
casca de arroz amorfa e cristalina avaliando a sua capacidade de controlar as expansões
geradas em argamassas e concretos. Um estudo comparativo foi realizado, utilizando-se a
sílica-ativa, uma vez que este material já foi estudado para este fim e é uma adição mineral
comercial, o que não acontece com a cinza de casca de arroz (CCA).
A caracterização das matérias-primas, nesse caso, fez-se necessária para auxiliar
na interpretação dos resultados encontrados. Foram realizadas análises químicas do cimento
Portland e das adições minerais utilizadas. Na parte de caracterização física foram realizados
os ensaios de granulometria a laser da CCA amorfa e da cristalina. Finalmente obteve-se o
Índice de Atividade Pozolânica com o cimento CPI-32 e com a cal para as três adições
minerais estudadas.
4.1 VARIÁVEIS DEPENDENTES
As principais variáveis empregadas na análise das expansões em barras de
argamassa foram definidas pela variação das adições minerais empregadas em suas
composições (3 tipos de adições e mais uma situação de referência - sem adição), e peloS
diferentes teores de substituição do cimento CPI-32 por estas adições (5, 10 e 20%), sendo
então estudado um total de 10 diferentes situações. As porcentagens das adições foram
estabelecidas de tal forma que as novas composições pudessem se encaixar na nomenclatura
das normas da ABNT.
Existem no Brasil vários tipos de cimentos Portland, diferentes entre si,
principalmente em função de sua composição. Os principais tipos de cimento Portland são: o
cimento Portland comum (CP I) (atualmente não disponível comercialmente), o cimento
Portland composto (CPII), o cimento Portland de alto forno (CPIII), cimento Portland
79
pozolânico (CPIV) e o cimento Portland de alta resistência inicial (CPV-ARI). Todos os tipos
de cimento mencionados são regidos por normas da ABNT e suas nomenclaturas são obtidas
de acordo com a composição a porcentagem do material utilizado na substituição do cimento
Portland, conforme mostra a Tabela 4.1.
Tabela 4.1 - Composição dos cimentos Portland comuns e compostos
Tipos de
cimento
Composição (porcentagem em massa)
Sigla
Clínquer
Escória granulada
Material
Material
+
de alto forno
pozolânico
carbonático
Gesso
(sigla E)
(sigla Z)
(sigla F)
Portland
Comum
Norma
CPI
100
CPI-S
99 - 95
CPII-E
94 - 56
6 -34
-
0 - 10
CPII-Z
94 -76
-
6 -14
0 - 10
CPII-F
94 -90
-
-
6 - 10
Alto Forno
CPIII
62 - 25
35 - 70
-
0-5
NBR - 5735
Pozolânico
CPIV
85 - 45
-
15 - 50
0-5
NBR - 5736
Alta
CPV -
100 - 95
-
-
0-5
NBR - 5733
Resistência
ARI
Composto
-
Brasileira
NBR - 5732
1-5
NBR- 11578
Inicial
4.1.1 Análise da expansão acelerada em barras de argamassa
Considerando, portanto, essas condições experimentais apresentadas, têm-se um total
de 10 diferentes argamassas de estudo e análise, conforme se vê no fluxograma da Figura 4.1.
80
Cimento CPI-32
Referência
sem
Substituição
Substituição por Cinza de
Casca de Arroz Amorfa
5%
10%
20%
Substituição por Cinza de
Casca de Arroz Cristalina
5%
10%
20%
5%
Substituição por
Sílica Ativa
10%
20%
Agregado
(Quartzito)
30 barras de argamassa
Figura 4.1 – Esquema mostrando o número de corpos-de-prova usados na análise das expansões em
barras de argamassa
Os corpos-de-prova foram moldados de acordo com as indicações da norma da
ASTM 1567 (ASTM, 2004), ou seja, em barras prismáticas de (25 X 25 X 285)mm. Foram
moldados três corpos-de-prova pra cada situação, conforme especificado no método. Desta
forma, esta parte do programa experimental contou com um total de 30 corpos-de-prova. Cabe
ressaltar que o “ensaio de reatividade” foi levado até a idade de 30 dias, apesar da norma
estipular a idade de 16 dias, com o objetivo de minimizar qualquer comportamento indefinido
de algumas combinações estudadas.
4.1.2 Análise de expansão em prismas de concreto
Para se avaliar o comportamento da CCA amorfa e cristalina em concreto, uma
versão acelerada do teste com prisma de concreto (ASTM 1293), executado com uma
temperatura de 60ºC foi utilizada. As duas cinzas substituíram o cimento Portland, em massa,
81
nos teores de 0% e 10%. Sendo assim, neste ensaio, as variáveis de estudo foram definidas
pela variação das adições minerais empregadas (CCA amorfa e CCA cristalina e Referência –
sem adições) e os diferentes teores de substituição do cimento CPI-32 por estas adições (0
e10%), sendo então estudado um total de 3 diferentes concretos, conforme se vê no
fluxograma da Figura 4.2.
Cimento CPI-32
Referência sem
Substituição
Substituição por Cinza de
Casca de Arroz Amorfa (10%)
Substituição por Cinza de
Casca de Arroz Cristalina (10%)
Agregado
(Quartzito)
9 corpos-de-prova (prismas de concreto)
Figura 4.2 – Esquema da metodologia experimental referente à análise das expansões em prismas de
concreto
4.1.3 Análise de íons e medidas de pH
Para a análise de íons e medidas de pH da fase líquida dos poros da pasta dos
aglomerantes foram moldados corpos-de-prova cilíndricos de pasta de cimento com 40 mm
diâmetro e 80 mm altura, com substituição parcial da massa de cimento, nas porcentagens de
5%, 10% e 20% por cinza de casca de arroz amorfa e cristalina, além da amostra de referência
(sem adição).
Neste ensaio os corpos-de-prova foram dosados em pasta de cimento, formando
sete diferentes pastas. Cada pasta foi analisada em 4 idades diferentes (1, 7, 28 e 91 dias).
A Figura 4.3 detalha os diversos tipos de corpos-de-prova empregados no método
da análise de íons e medidas de pH da fase líquida dos poros, sendo este o terceiro ensaio
realizado dentro da metodologia experimental.
82
Cimento CPI-32
Substituição por Cinza de
Casca de Arroz Amorfa
Referência
sem
Substituição
5%
10%
20%
Substituição por Cinza de
Casca de Arroz Cristalina
5%
10%
20%
35 corpos-de-prova cilíndricos (pastas de cimento)
Figura 4.3 – Esquema da metodologia experimental referente a análise de íons e medidas de pH da
fase líquida dos poros
4.2 MATERIAIS UTILIZADOS
Para a moldagem dos corpos-de-prova de concreto, argamassa e pasta foram
utilizados os seguintes materiais:
● Cimento Portland CP I-32: conforme nomenclatura e especificação da NBR
5732 (ABNT, 1991), sem adições.
● Agregado miúdo: para os ensaios referentes aos prismas de concreto, o
agregado miúdo escolhido foi a areia natural padrão do Rio Tietê. Esta areia foi constituída a
partir de peneiras de número 16 (32,2%), de número 30 (25,4%), de número 50 (22,1%) e pela
peneira de número 100 (20,3%), constituindo um agregado miúdo de módulo de finura igual a
2,69, apresentando-se dentro do intervalo de 2,7 + 0,2, prescrito na ASTM 1293 (ASTM,
1997). Este agregado foi previamente ensaiado pela ASTM C-1260 (ASTM, 1997), sendo
verificado, na idade de 16 dias, expansões inferiores a 0,10 % (Anexo A), uma vez que a
ASTM C-1293 exige um agregado miúdo não reativo para que não haja interferências na
avaliação do agregado graúdo (quartzito).
● Agregado graúdo: a dimensão máxima do agregado graúdo utilizado nos
prismas de concreto foi de 19 mm, sendo dividido nas proporções de 1/3 com tamanho entre
19 e 12,5mm, 1/3 entre 12,5 e 9,5mm e 1/3 entre 9,5 e 4,75mm, segundo recomendações da
83
norma ASTM C-1293. O agregado conhecidamente reativo utilizado foi o quartzito reativo
procedente da UHE Furnas, contendo como minerais reativos os cristais de quartzo estirados
(HASPARYK, 2005)
O quartzito é uma rocha de natureza metamórfica, apresentando-se com
coloração creme acinzentado e com estrutura foliada no exame macroscópico. Através das
investigações microscópicas, por microscopia ótica por luz transmitida a composição
mineralógica estimada do quartzito foi de 90% de quartzo, 5 a 10% de muscovita e menos de
5% de minerais opacos (Hasparyk, 2005).
Em agregados de rochas “granitóides” ou em agregados quartzíticos como o
utilizado neste estudo, a principal fase reativa, responsável pela reação álcali-silicato é o
quartzo deformado e cominuído (RODRIGUES et al., 1997).
● Álcalis: utilizou-se hidróxido de sódio (NaOH) para elevar o teor de álcalis do
cimento que era inicialmente de 0,62% (álcalis solúveis), para 1,25%, conforme especificado
pela norma ASTM C-1293.
● Adições minerais:
- Cinza de casca de arroz amorfa e cristalina, procedentes da mesma origem
(Estado de Goiás):
a) Cinza de casca de arroz amorfa (CCA A): esta cinza foi obtida pelo processo de
queima controlada da casca de arroz, sendo em seguida submetida a um processo
de moagem com o objetivo de diminuir o seu tamanho para aproximadamente
5,6µm.
b) Cinza de casca de arroz cristalina (CCA C): esta cinza foi obtida pelo processo
de queima a céu aberto, sem controle de tempo e temperatura de queima, sendo em
seguida submetida, também, a um processo de moagem com o objetivo de se
conseguir a mesma granulometria da CCA A (5,6µm).
c) Sílica ativa: adição mineral comercial, utilizada por ser uma adição
conhecidamente eficaz no controle da reação álcali-agregado.
● Aditivo: para a moldagem das argamassas e concretos na presença das CCAs,
foi empregado um único tipo de aditivo nesta pesquisa, a saber: aditivo superplastificante de
pega normal à base de melamina sulfonada. Sua dosagem recomendada pelo fabricante situase entre 0,6 e 3,0% sobre o peso do cimento Portland e seu teor de sólidos é igual a 36%.
As Tabelas 4.2, 4.3 e 4.4 e as Figuras 4.4, 4.5 e 4.6 a seguir, apresentam as
principais características e propriedades destes materiais, obtidos nos ensaios de
84
caracterização realizados pelo Departamento de Apoio e Controle Técnico de Furnas Centrais
Elétricas S.A.
Tabela 4.2 - Caracterização do cimento Portland
CPI-32
Limites NBR 5732
Valor (%)
(ABNT, 1991)
Dióxido de sílicio (SiO2)
19,81
-
Óxido de alumínio (Al2O3)
5,27
-
Óxido de ferro (Fe2O3)
2,87
-
Óxido de cálcio (CaO)
60,38
-
Óxido de magnésio (MgO)
6,49
≤6,5
Trióxido de enxofre (SO3)
2,68
≤4,0
Óxido de cálcio livre (CaO)
1,80
-
Óxido de sódio (Na2O)
0,25
-
Álcalis
Óxido de potássio (K2O)
0,70
-
Totais
Equivalente alcalino (Na2Oeq) (*)
0,70
-
Óxido de sódio (Na2O)
0,17
--
Álcalis
Óxido de potássio (K2O)
0,69
-
Solúveis
Equivalente alcalino (Na2Oeq) (*)
0,62
-
Sulfato de cálcio (CaSO4)
4,56
-
Perda ao fogo
1,36
≤2,0
Resíduo insolúvel
1,32
≤1,0
Propriedades determinadas
NOTA: (*) Na2Oeq = %Na2O + 0,658%K2O
Tabela 4.3 - Caracterização química da CCA A, CCA C e SA.
85
CCA A
CCA C
SA
(%)
(%)
(%)
Dióxido de sílicio (SiO2)
84,37
88,50
91,68
Óxido de alumínio (Al2O3)
0,07
0,03
0,18
Óxido de ferro (Fe2O3)
0,76
1,68
0,18
Óxido de cálcio (CaO)
0,53
0,88
0,56
Óxido de magnésio (MgO)
0,10
0,11
0,46
Óxido de sódio (Na2O)
0,10
0,13
0,27
Álcalis
Óxido de potássio (K2O)
2,28
1,93
1,17
Totais
Equivalente alcalino (Na2Oeq) (*)
1,60
1,39
1,05
Óxido de sódio (Na2O)
0,05
0,05
nd
Óxido de potássio (K2O)
1,20
1,88
nd
0,84
1,29
nd
Perda ao fogo
10,63
5,44
3,03
Resíduo Insolúvel
85,37
91,87
nd
Propriedades determinadas
Álcalis
Dispo-níveis
Equivalente alcalino (Na2Oeq) (*)
NOTA: (*) Na2Oeq = %Na2O + 0,658%K2O
nd - não disponível
86
Porcentagem Passante (%)
100
CCA Cristalina
CCA Amorfa
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,001
0,01
0,1
Diâmetro das Partículas (mm)
Figura 4.4 - Distribuição granulométrica a laser da CCA amorfa e cristalina
Tabela 4.4 - Caracterização física e Índice de Atividade Pozolânica das adições
Propriedades
CCA A
CCA C
SA
Limites
Atividade pozolânica com cimento
CPI-32 – 28 dias (%)
124,4
133,4
115,8
Atividade pozolânica com a cal
7 dias (MPa)
12,6
7,6
7,4
2,12
2,22
2,20
NBR 12653
(ABNT, 1992)
≥75
NBR 12653
(ABNT, 1992)
≥6,0
-
1,26
1,18
nd
-
17,96
17,46
nd
-
5,58
5,59
nd
-
Massa específica (g/cm³)
Diâmetro abaixo do qual encontram-se 10%
das partículas (µm)
Diâmetro abaixo do qual encontram-se 90%
das partículas (µm )
Diâmetro médio(µm )
nd - não disponível
As Figuras 4.5 e 4.6 apresentam os difratogramas realizados para as CCAs amorfa
e cristalina. O difratômetro utilizado foi da marca DIFRAC PLUS D5000, da SIEMENS.
Os resultados da difração mostraram a presença da cristobalita tanto na cinza
amorfa quanto na cristalina, porém a quantidade de cristobalita encontrada na CCA amorfa é
muito pequena. Os gráficos das difrações de Raios-X foram colocados em escalas diferentes
com o objetivo de se visualizar os picos formados na CCA amorfa.
87
C CA R eg 1.1823.2006
400
1,7312
1,7094
1,6938
1,9012
2,0958
2,0598
2,4928
2,8337
3,2183
3,4378
100
3,3346
4,0551
4,2360
200
4,5317
Lin (Counts)
300
0
3
10
20
30
40
50
60
2-T heta - S cale
Figura 4.5 - Análise por difração de Raios X da amostra referente CCA amorfa
CCA Cristalina - Reg. 1.1822.2006
800
4,0478
700
500
400
300
2,4840
1,3655
1,4320
1,5331
1,4967
1,6114
1,6886
1,9303
100
1,8722
2,1155
3,1367
2,8455
200
2,0247
Lin (Counts)
600
0
3
10
20
30
40
50
2-Theta - Scale
Figura 4.6 - Análise por difração de Raios X da amostra referente CCA cristalina
60
70
88
4.3 MÉTODOS
A seguir serão descritos os diversos métodos utilizados na metodologia
experimental.
4.3.1 Ensaio acelerado de expansão em barras de argamassa
Para se determinar o potencial de reatividade da reação álcali-agregado, utilizouse o método acelerado de barras de argamassa ASTM C-1260 (2005) e ASTM C-1567 (2004).
Este método permite a análise, aos 16 dias, da reatividade deletéria da combinação de
materiais cimentícios e agregados na forma de barras de argamassa, sendo os materiais
cimentícios compostos por diferentes proporções de cimento Portland, pozolanas e/ou escória
granulada de alto-forno.
O presente método representa uma forma de se avaliar a capacidade das pozolanas
e da escória de alto-forno em controlar expansões internas, resultantes da reação álcaliagregado, quando se utiliza um agregado conhecidamente reativo. Os resultados obtidos com
este método podem superestimar a reatividade de alguns agregados, se usados em serviço com
a mesma pozolana ou escória granulada de alto-forno e com um cimento portland com baixos
teores de álcalis.
As argamassas com as adições foram moldadas com uma relação aglomerante:
agregado de 1: 2,25 (em massa), com uma consistência mantida em + 7,5%, em relação à
amostra de referência (sem adição).
Neste estudo, além da sílica ativa utilizou-se também a CCA amorfa e cristalina,
que apesar de não serem citados pela norma, foram neste estudo consideradas como sendo
adições equivalentes à sílica ativa e ao metacaulim, por serem finamente moídas e possuir
atividade pozolânica. Portanto foi utilizado aditivo redutor de água na moldagem dos corposde-prova com substituição de CCA amorfa e cristalina.
O agregado quartzito foi preparado seguindo as frações granulométricas descritas
no método de ensaio acelerado, na forma de areia artificial.
As barras de argamassa moldadas permaneceram em seus moldes por 24 horas em
câmara úmida. Após este período, as barras foram desmoldadas e imersas em recipientes com
água a 80ºC, durante 24 horas. Em seguida, foi realizada a medida zero (primeira leitura de
89
comprimento da barra de argamassa), sendo que após esta leitura as barras de argamassa
foram imersas em solução de 1N de hidróxido de sódio (NaOH), à temperatura de 80ºC, e as
medidas foram realizadas por 16 dias. Porém, levou-se o ensaio até a idade de 30 dias, a fim
de evitar qualquer modificação de comportamento do agregado analisado.
O agregado quartzito foi preparado seguindo as frações granulométricas descritas
no método de ensaio da ASTM 1567 (2004). A CCA amorfa e cristalina e a sílica ativa foram
utilizadas em substituição à massa de cimento Portland nos teores de 0%, 5%, 10% e 20%.
4.3.2 Microscopia estereoscópica
Com o término do ensaio de expansão das barras de argamassa, as mesmas foram
fragmentadas para que pudessem ser analisadas as suas superfícies internas, as estruturas dos
poros, as interfaces agregado/pasta e também a presença de produto da reação álcaliagregado. O microscópio estereoscópico utilizado foi um MST 131 fabricado pela PZO
WARSZAWA. As ampliações utilizadas nas análises foram de 6,3 a 40 vezes, sendo que os
fragmentos utilizados nas análises foram primeiramente selecionados através de uma análise
visual.
4.3.3 Ensaios de expansão em prismas de Concreto
A norma americana ASTM C 1293 (2001) prescreve o método de ensaio em
prisma de concreto para avaliar a reatividade de agregados junto à reação álcali-agregado,
durando 1 ano de ensaio. Porém, uma versão acelerada do método foi elaborada por
pesquisadores da França e América do Norte (FOURNIER et al. 2006), executando o ensaio a
60ºC ao invés de 38ºC, de forma a reduzir o tempo de ensaio de um ano para três meses,
aumentando a sua praticidade.
Com base no exposto, prismas de concreto foram moldados seguindo os
parâmetros da ASTM 1293 (2001), porém adaptando-se a versão acelerada. Primeiramente foi
calculada a quantidade de hidróxido de sódio a ser adicionada na água destinada ao traço do
concreto, para que se obtivesse um total de Na2O equivalente igual a 1,25% na massa de
cimento Portland. Este valor é proposto por norma de forma a acelerar o processo de
expansão devido a RAA. Por exemplo, em um concreto com consumo de cimento igual a 420
90
kg/m³, a quantidade de álcalis necessária para se ter um nível de Na2O equivalente igual a
1,25% seria de 5,25 kg/m³.
Para se avaliar reatividade do agregado graúdo, como foi o caso deste trabalho, se
faz necessário o uso de um agregado miúdo não reativo. Um agregado miúdo não reativo
pode ser definido como aquele que desenvolve expansões no método de barras de argamassa
(ASTM 1260) menores que 0,10% aos 16 dias. É especificado também que o módulo de
finura do agregado miúdo se situe no intervalo de 2,5 a 2,9.
O consumo de cimento no traço deve ser controlado para que fique entre (420 +
10) kg/m³, sendo que o volume de agregado graúdo deverá ser igual a (70 + 2)% e a relação
água/aglomerante entre 0,42 e 0,45, em massa. As adições minerais empregadas nos prismas
de concreto foram a CCA amorfa e cristalina e mais uma situação de referência (sem adições),
sendo o teor de substituição do cimento CPI-32 por estas adições igual a 10%. Foi empregado
um aditivo superplastificante a base de melamina sulfonada no teor fixo de 1% de forma a
garantir a trabalhabilidade dos concretos e a dispersão das adições.
Neste estudo, apesar dos diversos limites encontrados na literatura para se avaliar
a RAA em prismas de concreto na versão acelerada, foram utilizados os limites propostos por
Ranc e Debray (1992), sendo aceitas expansões até 0,015% em 4 semanas ou 0,08% em 8
semanas.
A Tabela 4.5 mostra os limites propostos em estudos recentes para o método
acelerado de prisma de concreto.
91
Tabela 4.5 - Expansões limites para o ensaio acelerado (60ºC) do teste em prisma de concreto - TPC
(FOURNIER, 2004)
Autores
Ref. comparação (TPC)
Limite proposto a 60ºC
Ranc e Debray
0,04% de expansão aos 8
0,015% em 4 semanas ou 0,08% em 8
(1992)
meses (38ºC)
semanas
Bolotte (1992)
0,04% de expansão aos 8
0,024% em 8 semanas
meses (38ºC)
Murdock e
0,04% de expansão aos
0,02% em 8 semanas ou 0,03% em 13
Blanchette (1992)
12 meses (38ºC)
semanas
De Grosbosis e
0,04% de expansão aos 8
0,04% em 13 semanas para agregados
Fontaine (2000)
meses (38ºC)
carbonáticos e sedimentares
Touma et al (2001)
0,04% de expansão aos 8
meses (38ºC)
0,04% em 13 semanas.
4.3.4 Análise de íons e medidas de pH da fase líquida dos poros em pastas de cimento
Esta análise foi baseada no dispositivo extrator da fase líquida, equipamento
similar ao divulgado por Longuet et al. (1973) e Barneyback et al. (1981).
O estudo da fase líquida nos poros das pastas de cimento se faz útil por ajudar a
entender o mecanismo das reações que ocorrem durante a hidratação do cimento, podendo
influenciar decisivamente na reação álcali-agregado.
Para a realização de ensaios de extração da fase líquida dos poros da pasta de
cimento no Laboratório de Furnas Centrais Elétricas S.A., foi desenvolvido um equipamento
baseado no equipamento da Universidade Federal do Rio Grande do Sul e na tese de
doutorado de Kulakowski (2002).
Nas Figuras 4.7 e 4.8 tem-se o aparelho elaborado por Furnas onde foram
colocadas alças para carregar o equipamento. A falta destas alças dificulta a manipulação do
equipamento. Segundo Kulakowski (2002), o manuseio e preparação do equipamento são
extremamente difíceis, devido, principalmente, ao seu peso relativamente alto e ao encaixe de
suas peças que exigem grande precisão.
A proposta de realização dos ensaios se baseia na retirada e na análise da fase
líquida dos corpos-de-prova cilíndricos de pasta de cimento de 4cm de diâmetro e 8cm de
92
altura, com relação água/aglomerante igual a 0,65 e com cimento CPI-32 sem substituição e
com substituição do cimento por cinza de casca de arroz amorfa e cristalina nos teores de 0%,
5%, 10% e 20%, totalizando 7 diferentes pastas.
Em seguida, eles foram armazenados em câmara úmida até a idade do ensaio,
sendo revestidos com plástico para inibir a carbonatação e evitar que o corpo-de-prova
perdesse parte de sua água para o meio por evaporação.
Figura 4.7 - Aparelho utilizado na extração da fase líquida
Figura 4.8 - Aparelho utilizado na extração da fase líquida e êmbolo de compressão.
93
Para a extração da fase aquosa, os corpos-de-prova devem ser secos
superficialmente para evitar contaminação de alguma água externa e, em seguida, deve-se
utilizar uma vaselina líquida para lubrificar as laterais deste corpo-de-prova, facilitando a sua
entrada no êmbolo. Deve-se, ainda, posicionar uma placa de teflon entre a parte inferior do
êmbolo de compressão e a parte superior do corpo-de-prova, uniformizando o atrito entre o
corpo-de-prova e o aparelho extrator.
O armazenamento da fase líquida é realizado na própria seringa (detalhe no
Anexo B) em que foi extraída a fase líquida tentando, assim, minimizar os efeitos da
carbonatação. Ao final de cada ensaio, o canal para extração deve ser limpo com água
deionizada para evitar qualquer tipo de contaminação.
As análises dos teores de íons das amostras coletadas foram realizadas no
Laboratório de Absorção Atômica de Furnas Centrais Elétricas S.A. O aparelho empregado
foi um Perkin Elmer 703 – Atomic Absorption Spectrophotometer. Os procedimentos
adotados para realização das análises são descritos na seqüência.
Após a coleta, as amostras foram imediatamente transferidas das seringas para
recipientes, devidamente esterilizados, sem ocorrer contato com o ar para não carbonatar a
solução altamente alcalina. O tamanho do recipiente para armazenagem das amostras deve ser
o menor possível para conter o volume extraído, de modo que não fique ar no seu interior. Em
seguida, as amostras foram encaminhadas ao Laboratório de Absorção Atômica para a
realização das diluições. Na seqüência, as amostras foram armazenadas em baixas
temperaturas até o momento das análises.
Para a calibração das curvas de concentração foram utilizados padrões com
diferentes concentrações. Cada leitura corresponde a uma média de três pontos determinados
na curva de calibração.
As medidas de pH das amostras foram realizadas pelo método potenciométrico,
onde foi empregado um eletrodo de vidro combinado com eletrodo de prata/cloreto e um
voltímetro eletrônico. As medidas foram realizadas imediatamente após a extração da fase
líquida dos poros. No método potenciométrico, o equipamento foi calibrado a cada medida. A
calibração empregou solução tampão com pH de 10 e 14. A primeira medida de cada amostra
foi realizada calibrando-se o equipamento primeiro com a solução de pH 10 e depois com a
solução de pH 14. Na segunda medida, o aparelho foi calibrado primeiro com solução tampão
de pH 14 e depois com solução tampão de pH 10. Cada leitura corresponde a duas medidas.
94
Os corpos-de-prova moldados para os ensaios de análise de íons e medidas de pH
da fase líquida dos poros são de pasta de cimento. Com a relação água/aglomerante de 0,65,
uma vez que, se fossem utilizados relações menores de água/aglomerante, a quantidade de
líquido extraída nos corpos-de-prova com substituições altas de cinza de casca de arroz nas
idades maiores seria insuficiente para as análises necessárias, sendo que a quantidade mínima
da fase líquida dos poros ficou determinada em 6ml.
Em todas as dosagens realizadas foram utilizadas balanças aferidas com precisão
de duas casas decimais e pratos de aço inox foram empregados como padrão na colocação dos
materiais sobre as balanças (Anexo B).
As substituições, tanto da cinza e casca de arroz cristalina quanto da amorfa foram
feitas em relação à massa de cimento, nas quantidades de 0%, 5%, 10% e 20%. A moldagem
foi realizada em uma única camada. Os corpos-de-prova foram mantidos durante 24 h em
câmara úmida até a desmoldagem e foram mantidos nesta condição até a idade do ensaio.
95
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Este capítulo descreve os resultados obtidos no programa experimental.
5.1
ENSAIO
ACELERADO
DE
EXPANSÃO
EM
BARRAS
DE
ARGAMASSA
A Figura 5.1 apresenta as expansões médias até 30 dias, obtidas nos corpos-deprova de argamassa com as CCAs amorfa e cristalina, sílica ativa e referência (sem adição),
onde o agregado miúdo usado foi um quartzito.
1,00
0,80
0,70
Expansão (%)
2,08% aos 10 dias
20% CCA A
Referência
5% CCA A
10% CCA A
20% CCA A
5% CCA C
10% CCA C
20% CCA C
5% SA
10% SA
20% SA
0,90
0,60
0,50
0,40
0,30
Limite de 0,10% aos 16 dias
0,20
0,10
0,00
0
5
10
15
20
25
Idade (dia)
Figura 5.1 - Expansões médias das barras de argamassa contendo as adições (método acelerado da
barra de argamassa) até 30 dias de idade
30
96
A ASTM C-1567 (2004) interpreta os resultados deste método por meio do
seguinte limite de expansão: combinações de cimento, pozolana ou escória de alto-forno com
agregado miúdo que expande menos do que 0,10% aos 16 dias será considerada uma
combinação com menores riscos a expansões deletérias quando utilizada em concretos sobre
as mesmas condições. Porém, se essas combinações apresentarem expansões maiores que
0,10% aos 16 dias, será um indicativo de expansão potencialmente deletéria. Entretanto, de
acordo com as recomendações da norma, o potencial reativo da reação deverá ser confirmado
testando-se a mesma combinação em concreto segundo a ASTM C-1293 (2001).
Em relação ao comportamento das cinzas, a argamassa contendo 20% de cinza de
casca de arroz cristalina apresentou um comportamento mais eficiente aos 16 dias, com 0,08%
de expansão média nesta idade. Os outros teores de substituição, inclusive a argamassa de
referência,
demonstraram
comportamento
potencialmente
deletério.
Apesar
do
comportamento potencialmente deletério, a argamassa moldada com 10% de cinza de casca
de arroz cristalina reduziu as expansões deletérias causadas pela reação álcali-agregado,
quando comparadas à argamassa de referência, demonstrando o potencial de redução da
expansão que esta adição possui. As argamassas com cinza de casca de arroz amorfa não se
mostraram eficazes no controle da reação álcali-agregado, pois seus valores de expansão
média foram maiores que a argamassa referência (sem adição) tanto aos 16 quanto aos 30
dias. O teor de 5% de CCA C apresentou praticamente o mesmo nível de expansão quando
comparado ao referência, mostrando-se insuficiente no controle da RAA. A sílica ativa
apresentou comportamento similar ao da CCA C, embora com um melhor desempenho na
redução das expansões.
As barras de argamassa dosadas com CCA A apresentaram um comportamento
inesperado com relação aos encontrados na literatura. A CCA A é uma cinza com tempo e
temperatura de queima controladas. Suas partículas possuem a característica de serem
altamente reativas (atividade pozolânica) e, consequentemente, reagirem rapidamente com os
hidróxidos de cálcio, formando silicatos de cálcio hidratados (C-S-H) (SENSALE, 2000).
Desta forma, esperava-se que a CCA amorfa apresentasse um melhor desempenho na
mitigação das expansões com relação à reação álcali-agregado do que a cinza de casca de
arroz cristalina, em virtude de sua maior pozolanicidade. Porém, as argamassas com 5 e 10%
de cinza amorfa demonstraram expansões maiores do que as expansões da argamassa
referência (sem adição) e a argamassa com 20% de CCA amorfa mostrou o pior
comportamento, com um nível expressivo de expansão (2,08% já aos 10 dias). Neste estudo, o
teor de substituição de 20% de CCA A, ao invés de mitigar as expansões, acelerou-as, não
97
sendo possível avaliar as expansões das barras de argamassa após 10 dias de ensaio uma vez
que as barras se fragmentaram por completo.
As Figuras 5.2 e 5.3 mostram, respectivamente, o potencial de redução das
expansões das adições utilizadas, nas idades de 16 e 30 dias, em relação à barra de argamassa
referência (sem adição).
As Figuras 5.4 e 5.5 mostram as fissuras ocorridas nas barras de argamassa com
Potencial de redução das expansões aos 16 dias
(%)
20% de CCA A aos 10 dias de ensaio.
100
SA
90
CCA C
80
70
CCA A
60
50
40
30
20
10
0
5
10
20
-10
Teores de adição (% )
Figura 5.2 – Potencial de redução das expansões aos 16 dias, com base na barra de argamassa de
referência
Potencial de redução das expansões aos 30 dias
(%)
98
100
90
80
70
SA
CCA C
CCA A
60
50
40
30
20
10
0
5
10
20
-10
Teores de adição (% )
Figura 5.3 – Potencial de redução das expansões aos 30 dias, com base na barra de argamassa de
referência
99
Figura 5.4 - Fissuras ocorridas na barra com 20% de CCA A aos 10 dias (barras úmidas)
Figura 5.5 - Fissuras ocorridas na barra com 20% de CCA A aos 10 dias
Conforme mostrado na Figura 5.2, somente a sílica ativa e a CCA cristalina foram
capazes de reduzir consideravelmente as expansões apresentadas pela argamassa de
referência, enquanto que na presença da cinza de casca de arroz amorfa as expansões
100
excederam àquelas encontradas na amostra referência (sem adição), sendo representadas nas
figuras pelos valores negativos de redução das expansões. Os valores referentes às expansões
das barras de argamassa com 20% de CCA A aos 16 dias não foram possíveis de serem
avaliados em virtude da fragmentação das barras de argamassa aos 10 dias.
Outra análise importante foi feita pela microscopia estereoscópica, onde
comprovou-se a formação de grumos, ou aglomerados de CCA amorfa, na barra de argamassa
com 20% de substituição. A parte central destas barras mostrou uma coloração escura,
concentrada em seu interior. Esta coloração é característica da CCA, mostrando que este teor
de substituição apresenta problemas de dispersão inadequada das partículas de cinza. Todas as
outras barras também foram analisadas e não apresentaram este comportamento. A Figura 5.6
mostra uma comparação entre o interior da barra com 20% de CCA amorfa e da barra com
20% de CCA cristalina. Esta porcentagem foi escolhida como porcentagem de comparação
por se considerar 20% o teor mais crítico para uma possível má dispersão tanto da CCA
amorfa quanto da cristalina.
Possivelmente, esta formação de aglomeração de CCA A no interior da barra de
argamassa foi a responsável pela grande expansão e fissuração encontrada com 20% de
substituição, uma vez que os grumos formados podem ter intensificado a reação álcaliagregado, funcionando como um agregado reativo ao invés de mitigar a reação como uma
adição pozolânica.
20% CCA A
20% CCA C
Figura 5.6 - Barras de argamassa com 20% de CCA amorfa e cristalina, após o ensaio de expansão
(ASTM 1567)
Diamond (1998) já indicava que a sílica ativa, por exemplo, apesar de poder
mitigar a reação álcali-sílica, pode também induzí-la em alguns casos (ACI Committee 221
1998). Adições muito finas, como a sílica ativa, são propensas a se aglomerarem. Estas
101
aglomerações formam grãos não dispersos de tamanhos que podem variar entre 40 a 800 µm
(ou acima de 3000 µm), reagindo com os álcalis do cimento exatamente como um agregado
reativo (MALVAR et al., 2002).
5.2 ENSAIOS DE EXPANSÃO EM PRISMAS DE CONCRETO
O comportamento dos prismas de concreto pode ser observado na Figura 5.7,
onde são apresentadas as expansões médias obtidas no método acelerado do ensaio adaptado a
partir da ASTM 1293, até a idade de 180 dias (6 meses).
Com base na ASTM 1293 (ASTM, 1997), se o método fosse seguido na íntegra,
um agregado pode ser considerado potencialmente reativo se apresentar uma média de
expansão a partir dos três prismas de concreto moldados, maior ou igual a 0,04% com um ano
de ensaio. Segundo Fournier et al. (2004), diversas são as sugestões para os limites de
expansão fazendo uso do método dos prismas de concreto, na versão acelerada. Um dos
limites sugeridos é exatamente o limite proposto pela norma americana ASTM 1293, de
0,04% (TOUMA et al., 2001 apud FOURNIER, 2004), com o tempo de ensaio reduzido de 1
ano para 13 semanas, na versão acelerada a 60ºC. Outros pesquisadores apresentam diferentes
limites e idades de avaliação como, por exemplo, 0,015% em 4 semanas, 0,024 a 0,08% em 8
semanas e 0,025 a 0,04% em 13 semanas (FOURNIER, 2004).
Os valores das expansões médias encontradas para todas as substituições
realizadas (10% de CCA amorfa e 10% de CCA cristalina) e também para o prisma de
concreto de referência (sem adição) pelo método ASTM 1293 modificado, na idade de 7 dias,
apresentam-se elevados e superiores a 0,04%.
De qualquer forma, na presença das duas adições (cinza de casca de arroz amorfa
e cristalina) as expansões puderam ser reduzidas em relação ao referência. É interessante
também observar, a partir da Figura 5.7, que as expansões crescem de forma significativa nas
primeiras idades de ensaio e em aproximadamente 90 dias parecem tender a uma
estabilização, ou seja, não se observou crescimento das mesmas a partir desta idade até os 180
dias de ensaio, apesar de algumas oscilações observadas.
102
0,280
0,240
Expansão (%)
0,200
Referência
10% CCA Amorfa
10% CCA Cristalina
Limite Máximo Proposto (Ranc e Debray, 1992)
(0,08% - 8 Semanas)
0,160
Limite Mínimo Proposto (Ranc e Debray, 1992)
(0,015% - 4 Semanas)
0,120
Limite Proposto (Touma et al, 2001)
(0,04% - 1 3 semanas)
0,080
0,040
0,000
0
30
60
90
120
150
180
Idade (dias)
Figura 5.7 – Resultados do ensaio de expansão acelerada de prismas de concreto a 60ºC (adaptado a
partir da ASTM 1293)
Nota-se que as adições utilizadas nos teores de 10% não foram capazes de inibir
todo o potencial reativo do agregado utilizado (quartzito), porém a cinza de casca de arroz
cristalina se mostrou mais eficaz no controle à reação álcali-agregado durante todo o ensaio.
Ao final do ensaio a diferença de expansão entre a CCA cristalina e a amorfa foi de 0,015%,
demonstrando que apesar da CCA amorfa ter diminuído os teores de expansão, quando
comparada ao prisma de concreto de referência, o seu poder de controle da reação álcaliagregado se mostrou menor do que a CCA cristalina. Sendo estes resultados contrários aos
esperados, uma vez que de acordo coma literatura pesquisada, a CCA amorfa deveria
controlar a RAA melhor do que a CCA cristalina, por ser uma adição mais reativa.
Conforme o gráfico comparativo da Figura 5.8, apesar de não ter inibido a reação
álcali-agregado, a cinza de casca de arroz cristalina foi capaz de reduzir as expansões
apresentadas pelo prisma de concreto de referência em até 71% (180 dias de ensaio), enquanto
que a cinza de casca de arroz amorfa reduziu 64% das expansões na mesma idade. Apesar das
duas substituições terem atingido valores muito próximos de redução das expansões nas
idades analisadas, a adição de CCA cristalina no teor de 10% apresentou eficiência sempre
superior à CCA amorfa.
103
Outra observação importante a ser destacada é a manutenção da eficiência das
adições na evolução do ensaio da reação álcali-agregado, desde as primeiras idades até as
idades mais avançadas.
10% CCA Cristalina
10% CCA Amorfa
Potencial de redução das expansões com
base no concreto referência (%)
100
90
80
71%
67%
70
64%
58%
60
50
42%
40
31%
30
20
10
0
7
84
180
Idade (dias)
Figura 5.8 – Potencial de redução das expansões aos 7, 84 e 180 dias das CCAs em relação ao prisma
de concreto de referência
Na Tabela 5.1 são apresentados os resultados das expansões médias referentes aos
primas de concreto com e sem adições de CCAs aos 7 e 180 dias de ensaio.
Tabela 5.1 - Resultados do ensaio de expansão acelerado em prismas de concreto aos 7 e 180 dias de
ensaio
Idade
EXPANSÂO (%)
Referência
10% CCA Amorfa
10% CCA Cristalina
07 dias
0,08
0,06
0,05
180 dias
0,22
0,08
0,06
104
Apesar das expansões serem analisadas em diferentes idades no ensaio acelerado
em prisma de concreto, este ensaio foi levado até a idade de 180 dias (6 meses), possibilitando
assim uma melhor análise do comportamento das adições em idades avançadas.
5.3 CORRELAÇÃO ENTRE OS MÉTODOS
Na Tabela 5.2 são apresentados os resultados das expansões médias em barras de
argamassa e em prismas de concreto com alguns limites propostos.
Tabela 5.2 - Resultados de expansão (%) em prismas de concreto (4 e 8 semanas) e nas barras de
argamassa (16 dias)
Amostra
Referência
10% CCA A
10% CCA C
Expansão em % pelo
método acelerado em
barras de argamassa
ASTM C1567
16 dias
Limite
Ensaio
0,46
0,10
0,50
0,29
Expansão em % pelo método acelerado em prisma
de concreto adaptado a partir de ASTM C1293
4 semanas
Limite1
Ensaio
0,201
0,015
0,081
0,063
8 semanas
Limite1
Ensaio
0,227
0,08
0,091
0,076
Nota 1 – Limites propostos por Ranc e Debray (1992 apud FOURNIER, 2004)
Comparando-se os resultados obtidos no método acelerado das barras de
argamassa com os obtidos em prismas de concreto verifica-se, de uma maneira geral, e com
base nos limites disponíveis e apenas nas taxas de expansões obtidas, que os comportamentos
são compatíveis entre os métodos. Ou seja, nas condições analisadas as expansões denotam
comportamento potencialmente deletério.
Em temos de eficiência da adição, observa-se que a CCA A (10%) se mostra
capaz de reduzir as expansões da RAA no método dos prismas de concreto, porém no método
das barras não demonstra eficiência, inclusive aumentando o valor de expansão. Já a CCA C
(10%), se analisada pelo limite proposto pelo método acelerado dos prismas (0,08%), em 8
semanas, apresenta expansões satisfatórias. Entretanto, de acordo com o método das barras, as
expansões geradas suplantam o limite proposto, apresentando altos valores. Ou seja, em
termos de desempenho das adições, os comportamentos não foram os mesmos entre os
métodos
105
5.4 MICROSCOPIA ESTEREOSCÓPICA
Após o término do ensaio da expansão das barras de argamassa, observou-se que
apenas as barras com 20% de substituição de CCA amorfa apresentaram fissuras a olho nu,
sendo estas fissuras tanto transversais quanto longitudinais. Porém as barras de referência,
apesar de não terem apresentado fissuras, registraram expansões maiores do que quase todas
as substituições, sendo que somente as barras de argamassa com substituições iguais a 5% e
10% de CCA amorfa expandiram mais do que as barras de referência.
As
principais
características
encontradas
empregando-se
a
microscopia
estereoscópica foram as presenças de material branco e vítreo preenchendo totalmente ou
parcialmente os poros e de material branco nas bordas dos agregados além das fissuras. Estas
características podem ser visualizadas nas micrografias apresentadas a seguir.
As Figuras 5.9 a 5.12 apresentam algumas das principais características
observadas nas amostras com 20% de substituição de cinza de casca de arroz amorfa.
Figura 5.9 - Amostra com fissuras e material branco nas bordas dos agregados e nos poros (20% de
CCA amorfa)
106
Figura 5.10 - Amostra com material branco nas bordas dos agregados (20% de CCA amorfa)
Figura 5.11 - Amostra com borda de reação (20% de CCA amorfa)
107
Figura 5.12 - Amostra com material branco nas bordas dos agregados (20% de CCA amorfa)
As Figuras 5.13 a 5.15 representam micrografias das principais características
observadas nas amostras de referência (sem substituição).
Figura 5.13 - Amostra de referência onde os poros possuem aspecto vítreo (referência)
108
Figura 5.14 – Detalhe de um poro com aspecto vítreo
Figura 5.15 - Outra amostra do corpo-de-prova de referência onde os poros possuem aspecto vítreo
As análises realizadas mostraram a formação de material branco (produto da
reação álcali-agregado) nas barras com 20% de substituição de cinza de casca de arroz
amorfa, comprovando, assim, os altos valores de expansão. Nas barras de referência (sem
substituição), foram encontrados poros preenchidos por material vítreo, comprovando também
a reatividade do agregado e o seu potencial em participar de reações expansivas.
109
Cabe ressaltar que foi necessário o emprego de maiores quantidades de aditivo
superplastificante nas amostras com substituição por CCA amorfa em relação às amostras
com CCA cristalina, como mostra a Tabela 5.3, de forma a manter à consistência em + 7,5%
da amostra de referência.
Tabela 5.3 - Quantidade de aditivo utilizada em cada amostra
Material
Teor Adição (%)
Aditivo (%)
Aditivo (g)
Flow (mm)
Referência
0
0
0
210,50
5
0,10
0,44
199,25
10
0,20
0,88
199,00
20
0,50
2,20
195,00
5
0,00
0,00
198,25
10
0,20
0,88
205,50
20
0,30
1,32
197,25
CCA Amorfa
CCA Cristalina
Com base na ASTM C 1567 (2004), a quantidade de aditivo utilizada, deve ser a
quantidade necessária para dar trabalhabilidade e obter dispersão das partículas da adição,
sendo que nas barras referências não se utilizou aditivo. Portanto as barras com adições
receberam aditivo para melhorar a dispersão das partículas, apresentando trabalhabilidade
aceitável para a moldagem das barras de argamassa.
Pode-se observar pela Tabela 5.3 que as maiores demandas de aditivo plastificante
foram para as das barras com CCA amorfa. Porém, em nenhuma das barras foi colocado a
quantidade mínima de aditivo recomendada pelo fabricante (0,6%), isto porque a utilização de
aditivos é controlada pela consistência da argamassa referência, consistência esta que ficou
compreendida no intervalo de 195 a 226 mm.
110
5.5 ANÁLISE QUÍMICA DA SOLUÇÃO DOS POROS DA PASTA DE
CIMENTO
O primeiro parâmetro medido foi o pH da solução dos poros. É conhecido pela
literatura que o consumo de álcalis leva a uma redução do pH da fase líquida dos poros. A
concentração de íons hidroxilas (OH-) também diminui. Porém o que se pôde comprovar com
a análise de pH em diferentes idades (Figura 5.16 e 5.17) foi que apesar da grande redução
nas concentrações de álcalis e de cálcio (Tabela 5.4), o pH da solução dos poros não teve
redução significativa. Portanto, as soluções dos poros das pastas de cimento permaneceram
suficientemente alcalinas.
As Figuras 5.16 e 5.17 mostram que com o aumento da substituição de cimento
Portland pelas adições (cinza de casca de arroz amorfa e cristalina) o pH da solução dos poros
diminui, em geral, permanecendo sempre abaixo do pH de referência (pasta sem adição) para
as duas idades (7 e 91 dias). Durante o tempo de realização dos ensaios (7 a 91 dias) o pH
diminui em todas as situações ensaiadas. De qualquer forma, estas reduções não foram
significativas como pode ser visto para a pasta de referência, com um pH igual a 13,2, quando
comparada com as pastas com CCA (amorfa = 12,9 e cristalina 12,8).
Comparando os resultados do pH (Figura 5.17) com a concentração dos álcalis
(Tabela 5.4), principalmente para os 91 dias, pode–se observar que com o aumento do teor de
adição tanto o pH quanto a concentração de álcalis diminui, em geral, sugerindo um consumo
de álcalis pelas adições. Acredita-se que durante a atividade pozolânica a cinza de casca de
arroz é capaz de fixar os álcalis e produzir silicato de cálcio hidratado contendo estes íons,
como o C-S-K-H e/ou C-S-Na-H.
111
14
Referência
CCA A
CCA C
13,8
13,6
5%
13,4
pH
13,2
20%
10%
13
5%
20%
10%
12,8
12,6
12,4
12,2
12
7
Idade (dias)
Figura 5.16 - pH da fase aquosa das pastas de referência e das pastas com substituição de 5%, 10% e
20% de CCA A e CCA C (7 dias)
14
Referência
CCA A
CCA C
13,8
13,6
13,4
pH
13,2
13
5%
5%
12,8
10%
20%
10%
20%
12,6
12,4
12,2
12
91
Idade (dias)
Figura 5.17 - pH da fase aquosa das pastas de referência e das pastas com substituição de 5%, 10% e
20% de CCA A e CCA C (91 dias)
112
Tabela 5.4 - Concentrações em mg/L aos 91 dias de cálcio, sódio e potássio
Íon
Ca²+
K+
Na+
Idade
(dias)
07
446
5%
CCA A
403
10%
CCA A
374
20%
CCA A
397
5%
CCA C
119
10%
CCA C
68
20%
CCA C
115
91
391
92
95
121
84
36
73
07
15.140
10.573
9.245
5.639
10.509
7.902
7.363
91
11.155
8.464
4.855
3.532
9.327
7.505
5.823
07
4.332
3.480
3.199
6.120
2.600
2.303
1.910
91
4.471
2.183
1.438
975
2.778
2.271
1.791
Ref.
Analisando os resultados apresentados por Hasparyk (1999) envolvendo a sílica
ativa e a cinza de casca de arroz na reação álcali-agregado (RAA) com o objetivo de mitigar
as expansões, verificaram-se alterações químicas na composição do gel da RAA, relacionadas
principalmente a baixas concentrações de álcalis com altos teores de pozolanas e,
consequentemente, menores expansões. Este estudo mostra a eficiência das pozolanas em
mitigar a RAA, reduzindo a concentração de álcalis na solução dos poros. Sendo assim,
analisando os resultados do presente estudo, pode-se concluir que as adições utilizadas são
capazes de fixar os álcalis nas suas reações na pasta.
Isso quer dizer que existem coisas mais importantes (que influenciam mais) na
RAA que a diminuição dos álcalis e do pH, conforme mostrou os resultados da presente
dissertação.
113
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS
De acordo com os resultados obtidos por este trabalho com relação aos tipos de
pastas, argamassas e concretos estudados e seus comportamentos frente à reação álcaliagregado, é possível obter uma série de conclusões sobre o desempenho de cada adição,
podendo-se classificá-las quanto as suas eficiências em controlar a RAA.
6.1 CONCLUSÕES
Os resultados do ensaio acelerado em prismas de concreto submetidos a
temperatura de 60ºC permitem concluir que as expansões ultrapassam todos os valores
propostos, inclusive nas primeiras idades, mostrando que o agregado analisado (quartzito) é
extremamente deletério. Porém, as adições utilizadas (cinza de casca de arroz amorfa e
cristalina) reduziram as expansões em até 71% com relação ao prisma de concreto de
referência, sendo que após os 90 dias (3 meses) de idade não se observou crescimento das
expansões.
O método acelerado de expansão em barras de argamassa (ASTM 1567) mostrou
uma redução das expansões a valores aceitáveis por norma aos 16 dias apenas para o teor de
20%, na presença de CCA C e de sílica ativa. O teor de 20% de CCA A demonstrou um
desempenho inadequado, sendo extremamente deletério.
A utilização de pozolanas extremamente finas e reativas deve ser controlada pelo
fato da necessidade de dosagens corretas de aditivos, uma vez que estas pozolanas possuem
uma maior dificuldade de se dispersarem. Assim, o uso de um aditivo superplastificante não
se faz somente pela necessidade de obtenção de uma boa trabalhabilidade, fixando-se a
consistência, e sim pela necessidade de dispersão completa dos grãos das adições utilizadas,
proporcionando a sua eficiência.
Em termos de taxa de expansão e limites, o comportamento dos concretos e
argamassas, de uma maneira geral, se apresentou potencialmente deletério para os dois
métodos empregados, na presença do agregado reativo do tipo quartzito em combinação tanto
com a cinza de casca de arroz amorfa como a cristalina. Neste estudo, verificou-se, em termos
de desempenho das adições, que os dois métodos não se correlacionaram bem, podendo
ocorrer inclusive comportamentos opostos. Assim, cuidados devem ser tomados na escolha do
114
método de ensaio, do tipo e teor de adição, além do aditivo a ser empregado, de forma a se
poder fazer o uso de um agregado reativo com segurança, sem riscos de ocorrência de reações
do tipo álcali-agregado.
As análises químicas da solução dos poros ajudaram a compreender o
comportamento das adições nas pastas de cimento, porém algumas interpretações devem ser
feitas com precaução, porque esta é uma técnica indireta. No presente estudo, tanto a cinza de
casca de arroz amorfa quanto a cristalina apresentaram reduções nas concentrações de álcalis
nas idades avançadas. Porém com 20% de adição, as CCAs amorfa e cristalina obtiveram
comportamentos diferentes no estudo da reação álcali-agregado. A CCA cristalina provou
mitigar as expansões e demonstrou ser a melhor cinza para a prevenção da RAA. Por outro
lado, a CCA amorfa apresentou a maior expansão, induzindo a RAA. No primeiro caso (CCA
C) a redução dos álcalis está provavelmente relacionada com o seu consumo durante a reação
química da adição na pasta e, no segundo caso (CCA A), a redução dos álcalis está
relacionada a incorporação dos álcalis no gel formado, produzido, provavelmente, pela
dispersão ineficiente da adição.
6.2 SUGESTÕES PARA FUTURAS PESQUISAS
Ao final deste trabalho algumas questões ficaram sem resposta devido ao tempo e
as limitações desta dissertação. Propõem-se, como sugestão para a continuidade das pesquisas
nesta área, os itens descritos.
- Estudar a influência da CCA amorfa e cristalina como substituição à massa de cimento em
concretos, em relação à carbonatação, corrosão de armaduras do concreto armado e também
quanto a penetração de íons cloretos.
- Realizar análises termogravimétricas (TG) para a determinação do teor de hidróxido de
cálcio residual.
- Verificar a correlação entre a atividade pozolânica da cinza de casca de arroz e a superfície
específica dos grãos.
- Estudar a influência do tempo de moagem, nas características físicas e químicas da cinza de
casca de arroz, com o objetivo de se conseguir uma granulometria ótima.
- Realizar avaliação econômica da cinza de casca de arroz, com os custos de moagem e
queima, com o objetivo de demonstrar o potencial econômico deste subproduto da indústria
beneficiadora de arroz.
115
- Verificar a quantidade e a influência dos aditivos no método da ASTM 1567.
- Aprofundar os estudos em relação a influência da formação de grumos de pozolanas
altamente reativas na reação álcali-agregado.
116
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117
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