METODOLOGIA PARA A DETERMINAÇÃO DAS VANTAGENS
DE ARGAMASSAS SOB EFEITO POZOLÂNICO DE
METACAULINOS
Jorge F. Lourenço
ISEC
Coimbra
[email protected]
Eduardo J. M. O. Ferraz
CTCV
Coimbra
[email protected]
João P. P. F. Coroado
IPT
Tomar
[email protected]
Resumo: Este trabalho contempla o estudo do efeito pozolânico obtido a partir de
metacaulinos incorporados em argamassas industriais.
As misturas foram formuladas ao traço ponderal 1:3, com o cimento associado em
percentagens variáveis de metacaulinos e cinzas volantes.
Os valores obtidos apontam para custos mais baixos e resultados interessantes.
Palavras-chave: argamassas; metacaulino; efeito pozolânico; Alvarães
1. INTRODUÇÃO
Conhecidos os efeitos pozolânicos de argilas transformadas termicamente, desde pelo
menos, há dois milénios, nos designados “opus” (argamassas romanas) pela incorporação
de cerâmica comum moída, cuja formulação pode ser encontrada em Vitrúvio [1], procurase estudar a “reactividade” do caulino e das argilas cauliníticas provenientes do depósito de
caulino sedimentar de Alvarães (Viana do Castelo), após transformação térmica controlada
no sentido de alargar o campo de aplicação destes materiais.
Embora conhecendo-se bem as propriedades ligantes das pozolanas quando incorporadas
em argamassas com cal hidratada, pareceu-nos interessante mencionar um texto de Sousa
Coutinho, publicado em 1963 [2], onde as refere de uma forma didáctica:
a) Melhoria da trabalhabilidade com diminuição da segregação no estado fresco;
b) Melhorias das resistências à tracção e à compressão, sobretudo a longo prazo;
c) Economia que se obtém quando se procede à substituição de uma parte de
cimento por uma parte de pozolana.
2. CARACTERIZAÇÃO DAS ARGILAS
O depósito de caulino sedimentar de Alvarães está geográfica e geológicamente localizado
na bacia tectono-sedimentar de Alvarães (Viana do Castelo), inserido na Zona Centro
Ibérica do maciço Hespérico, a Oeste da falha Vigo-Régua [3].
O substrato rochoso desta bacia é constituído por granitos Hercínicos e metassedimentos
Silúricos muito alterados. Os sedimentos terciários, de origem fluvio-lacustre, que cobrem a
bacia de Alvarães, numa área de 20 km2 aproximadamente, pertencem à formação de
Alvarães e são compostos por duas unidades [4] ou membros [5], membro de Teodoro e de
Chasqueira, a que este último autor atribuiu a idade Placenciano (Pliocénico Superior).
O membro de Teodoro (superior) é composto por camadas de areias e cascalhos brancos
cauliníferos, intercalados por argilas branco-acinzentadas cauliníticas do tipo “ball-clay”
denominadas localmente por barro d. O membro de Chasqueira (inferior), separado do
membro sobrejacente por uma superfície de erosão, é composto genericamente do topo para
a base, por camadas de areias vermelhas e argila vermelha caulinítica, respectivamente.
Actualmente as areias e cascalhos brancos cauliníferos são submetidos a processamento
industrial via húmida (lavagem) de forma a obter o caulino.
As matérias-primas com interesse industrial provenientes deste depósito foram
caracterizadas por Ferraz [6] com ênfase especial para as suas propriedades cerâmicas.
A Figura 1 apresenta a composição mineral, determinada por difracção de raios-X (DRX),
do caulino e das argilas cauliníticas estudadas.
Q
Intensidade
Il - ilite/moscovite
C - caulinite
Q - quartzo
FNa-Ca - plagioclase
FK - feldspato potássico
G - goethite
A - anidrite
Q
FK
C
C
FNa-Ca
Il
Il
FK
Il+A
Il+C
C+G
C
A
C+Q
C
C+Q
C C
C
Il
C
Q
C
C
Q
Q
G+Q
FNa-Ca
Il+C
Q
G
C C
C
C
Q
C
Q
C
Q
C
C
Argila vermelha
Q
Q
C
Barro D
Caulino
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
Cu Kα º2θ
Figura 1 – Difractogramas das matérias-primas argilosas [6]
A Quadro 1 apresenta a composição mineral semi-quantitativa do caulino e das argilas
cauliníticas, determinadas a partir dos DRX da Figura 1, de acordo a metodologia proposta
por Shultz [7] e Thorez [8].
Quadro 1 – Composição mineral semi-quantitativa das matérias-primas argilosas [6]
Caulinite (%)
Ilite/muscovite (%)
Goethite (%)
Feldspato-K (%)
Quartzo (%)
Plagioclase (%)
Anidrite (%)
Caulino
85
6
–
–
8
1
–
Barro d
56
20
–
–
20
4
–
Argila vermelha
21
15
3
8
45
5
3
Da informação obtida (Quadro 1 e Figura 1) realçamos a presença de goethite na argila
vermelha que confere à argamassa uma cor avermelhada. Esta característica confere às
argamassas que incorporaram argila vermelha calcinada eventual interesse arquitectónico.
Como se esperava, a percentagem de caulinite é superior no caulino, ocorrendo a
percentagem mais baixa na argila vermelha. O barro d e a argila vermelha apresentam
percentagens de ilite/muscovite superiores ao caulino. A percentagem de quartzo é reduzida
no caulino, atingindo valores de 45% na argila vermelha.
Na Quadro 2 está indicada a composição química dos elementos maiores do caulino e das
argilas cauliníticas, obtida por espectofotometria de fluorescência de raios-X (FRX).
Quadro 2 – Composição química (dos elementos maiores) das matérias-primas argilosas [6]
Caulino
Barro d
Argila vermelha
Fe2O3* (%)
1,05
1,31
6,97
MnO (%)
< 0,02
0,02
0,03
TiO2 (%)
0,44
1,27
1,08
CaO (%)
0,01
0,12
0,14
K2O (%)
0,75
2,32
2,91
P2O5 (%)
0,22
—
—
SiO2 (%)
42,51
54,17
55,92
Al2O3 (%)
38,66
30,45
24,36
MgO (%)
1,22
0,02
0,08
Na2O (%)
0,16
0,20
0,17
PR** (%)
14,47
9,62
7,69
* Fe2O3 – ferro total
** PR – perda ao rubro
< lq – inferior ao limite de quantificação
Os teores obtidos (Quadro 2) estão em conformidade com a composição mineral observada.
Deve-se realçar que o elevado teor de ferro na argila vermelha está associado à presença de
goethite. A tendência na diminuição do teor de alumínio está em conformidade com a
variação da caulinite (Quadro 1) nas várias matérias-primas. A perda ao rubro reflecte a
quantidade relativa de minerais argilosos que se opõem os valores percentuais de quartzo.
3. TRATAMENTO TÉRMICO
As duas argilas cauliníticas e o caulino utilizados neste estudo foram calcinados em forno
eléctrico à temperatura de 750 ºC com um patamar de 15 min à temperatura máxima.
Esta calcinação parcial, que se verifica aproximadamente entre 650 ºC e 850 ºC, promove,
por desidroxilação, o aumento de desordem estrutural da caulinite favorecendo a formação
de um material que se designa por metacaulino. Caracteriza-se por ser um silicato de
elevada desordem estrutural, com elevada superfície específica e actividade química
(reactividade). Este material artificial tem propriedades ligantes semelhantes às pozolanas
naturais, promovendo o aumento da capacidade ligante e o endurecimento da argamassa ao
longo do tempo.
As referências das matérias-primas argilosas calcinadas (metacaulinos), relativamente ao
material cru, são as seguintes: Caulino - MKA, barro d - MKB e a argila vermelha - MKC.
4. ENSAIOS EM ARGAMASSAS
O estudo das argamassas foi efectuado segundo a metodologia proposta por Lourenço [9].
A campanha de ensaios laboratoriais considerou as seguintes parâmetros:
i)
Traço ponderal de 1:3 (uma parte de ligante, para três partes de areia).
ii)
O ligante (cimento com ou sem adição de materiais com efeito
pozolânico) definiu-se nas seguintes percentagens ponderais:
Designação da
Composição percentual do ligante
argamassa
REF
100% de CEM II/B-L
A1
90% de CEM II/B-L com 10% de MKA
A2
80% de CEM II/B-L com 20% de MKA
A3
70% de CEM II/B-L com 30% de MKA
B1
90% de CEM II/B-L com 10% de MKB
B2
80% de CEM II/B-L com 20% de MKB
B3
70% de CEM II/B-L com 30% de MKB
C1
90% de CEM II/B-L com 10% de MKC
C2
80% de CEM II/B-L com 20% de MKC
C3
70% de CEM II/B-L com 30% de MKC
CV1
90% de CEM II/B-L com 10% de cinzas volantes
CV2
80% de CEM II/B-L com 20% de cinzas volantes
CV3
70% de CEM II/B-L com 30% de cinzas volantes
Nota: Existe uma referência (REF) sem adições e outras três com
cinzas volantes (CV), cujas características servirão para comparação
iii)
iv)
v)
vi)
vii)
viii)
Permilagem ponderal de 2,5 em relação ao ligante, de um adjuvante
hidrófugo com forte acção redutora de água (15 a 20%).
Consistência definida por um espalhamento de 180±20 mm (“flowtest”).
A formulação baseia-se na expressão dos volumes reais [9], mas em
proporcionamento ponderal (Error! Reference source not found.).
Realizaram-se amassaduras de dois litros, sendo sistematicamente
controladas, para eventual acerto, a consistência, a massa volúmica e o
teor de ar [9].
Acerto das propriedades e das características no estado fresco quando se
desviam das previsões:
- Se a consistência sair do intervalo de espalhamento indicado,
acerta-se a água por alteração do factor redutor de água.
- Se a variação do teor de ar for superior a 1%, acerta-se o cálculo
para o novo teor.
Procede-se aos ensaios de tracção por flexão e à compressão
aos 28, 90 e 180 dias, após a amassadura.
2,50
12,0
0,7
0,3
3
ii) Massas correspondentes
0,70
0,30
3,00
0,0025
iii) Massa volúmica real (kg/litro)
3,10
2,59
2,62
1,10
Volume de argamassa (litros)
Água
% volum. da
argamassa
i) Relação ponderal (traço)
iv) Águas unitárias de molhagem (litros / kg)
Ar
Adjuvante
‰ ponderal
do ligante
Factor
redutor
devido ao
adjuvante
Dosagens
Hidrófugo
Areia fina
Argilis
Constituintes
Plastocrete 05
MKC
Origem
Alvarães
Carga
CEM II/B-L 32,5 N
Adição
Produto
Souselas
Designação
Cimento
Quadro 3 - Exemplo de folha de cálculo para a formulação da argamassa C3
0,26
0,50
0,15
v) Custos unitários
0,08 €
0,02 €
0,01 €
vi) Águas correspondentes às massas anteriormente
definidas (litros)
0,182
0,150
0,450
vii) Correspondente volume da argamassa (litros)
0,226
0,116
1,145
0,002
0,665
286
123
1226
1,02
272
1000
ix) Preço de um metro cúbico
21,45 €
2,57 €
12,26 €
0,77 €
0,00 €
37,05 €
x) Massas dos constituintes para o correspondente volume
da argamassa (kg)
0,572
0,245
2,452
0,002
0,543
2,0
viii) Massas dos constituintes para o correspondente volume
da argamassa (kg)
0,85
0,75 €
0,00 €
0,665
Massa volúmica da mistura (kg/litro) :
0,294
2,447
1,91
4.1 Relações volumétricas
Com a formulação baseada em volumes reais é possível analisar um interessante conjunto
de relações volumétricas das argamassas no estado fresco, que exemplificamos com barras
horizontais de proporcionamento relativos à argamassa C3:
60,7
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
Parte sólida / Parte fluida
0
a)
39,3
Parte sólida
Parte fluida
Esta primeira análise, é também frequente no estudo de betões, e conduz aos conceitos de
compacidade (σ) e de índice de vazios (I) da argamassa:
vs
vm
vf
I=
vm
σ=
(1)
(2)
em que
-
vs é o volume real da parte sólida, isto é, o volume dos constituintes
granulares;
vf é o volume da parte fluida, isto é, o volume dos constituintes líquidos
(água e adjuvantes) e dos vazios existentes;
vm é o volume aparente da argamassa.
-
vm = vs + vf , reconhece-se que σ + I = 1 .
Sendo
46,8
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
Carga (agregado) / Pasta ligante
0
b)
53,2
Carga
Pasta
Esta relação é extremamente interessante, quando se entende que a pasta ligante se utiliza
para envolver as cargas e preencher os vazios por elas deixados.
Constituintes da pasta ligante
(%)
17,3
Cimento
8,9
Adição
51,0
Adjuvante
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0,2
c)
22,6
Água
Ar
É importante conhecer o proporcionamento dos constituintes da pasta ligante, de onde é
possível entender o que é compacidade da pasta ligante (γ):
γ =
vl
vpl
(3)
em que
-
vl é o volume real de material ligante, isto é, cimento e adições;
vpl é o volume da pasta ligante, isto é, a soma do volume de ligante (vl)
com o volume da parte fluida (vpl): vpl = vl + vf
Este conceito de compacidade da pasta ligante associa-se à previsão das resistências
mecânicas à tracção por flexão e à compressão, segundo as seguintes expressões de Feret
[10]:
Rt j = kt j × γ
(4)
em que
Rtj é a resistência à tracção aos j dias;
ktj é a constante que qualifica o ligante aos j dias em relação à tracção.
-
Rc j = kc j × γ 2
(5)
em que
Rcj é a resistência à compressão aos j dias;
kcj é a constante que qualifica o ligante aos j dias em relação à
compressão.
-
Constituintes da argamassa
46,8
Carga
Cimento
9,2
Adição
4,7
Adjuvante
27,2
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0,1
d)
12,0
Água
Ar
A análise volumétrica global dos constituintes da argamassa dá-nos uma visão racional da
formulação.
5. ANÁLISE DE RESULTADOS
O Quadro 4 apresenta os valores dos parâmetros fundamentais à análise do desempenho
das argamassas ensaiadas:
i)
Consideraram-se cinco famílias de argamassas:
a referência principal é constituída somente por cimento;
3 famílias com incorporação de metacaulino;
uma família com incorporação de cinzas volantes, por ser uma pozolana que
se conhece razoavelmente bem, utilizada para comparação.
ii)
Indicam-se as relações ponderais, numa tentativa de aproximação racional com as
argamassas normalizadas. Por se utilizar uma areia claramente mais fina do que a
“normalizada”, mesmo usando um redutor razoavelmente potente, a água de
amassadura é superior a 0,5.
iii)
Apresentam-se as compacidades da pasta ligante, para a determinação dos
coeficientes de Feret à tracção por flexão e à compressão.
iv)
Registam-se as resistências à tracção por flexão e à compressão.
v)
Referem-se os custos das argamassas, assim como os valores relativos aos
coeficientes de Feret. O que se pretende é mostrar que os coeficientes de Feret são
indicadores de qualidade da mistura ligante e que por eles se deve analisar o
desempenho pozolânico. Contudo não se pode deixar de verificar os valores das
tensões de ruptura, independentemente destes coeficientes, atendendo aos diferentes
consumos de água das várias adições. Este facto poderá conduzir ao estudo
simultâneo de custos e desempenho de redutores de água.
6.
CONCLUSÕES
Os resultados obtidos, sendo ainda reduzidos, apontam no entanto para alguma reactividade
traduzida em boas resistências mecânicas das argamassas onde foi incorporada a argila
vermelha calcinada (MKC).
Nesta fase, as conclusões são pouco seguras, porque o efeito pozolânico é algo tardio. No
entanto, parece-nos que as misturas que contêm MKB e MKC, apresentam valores
interessantes e não inferiores às misturas com cinzas volantes:
Valores de kt e kc mais interessantes;
No entanto, as cinzas volantes têm menor consumo de água.
A análise de custos indicia vantagens económicas na utilização de metacaulinos de origem
nacional em argamassas industriais.
Espera-se que o efeito pozolânico seja evidenciado aos 90 e 180 dias.
Quadro 4 – Propriedades e custos das diferentes argamassas estudadas
Relação ponderal
Famílias
Referência
Cimento com
MKA
Cimento com
MKB
Cimento com
MKC
Cimento com
cinzas volantes
Designação
Resistências mecânicas (MPa)
Compacidade
Compressão
Tracção por flexão
Custos por m3
da pasta
Custos /
de argamassa Tensão de Coeficiente Custos / Tensão de Coeficiente
ligante
de Feret (Coeficiente rotura
rotura
de Feret (Coeficiente
C
γ
Rc28
kt28
Rt28
kc28
de Feret)
de Feret)
Cimento
Adição
Carga
Água
REF
1,00
0,00
3,00
0,57
0,269
45,63 €
5,1
19,0
2,41 €
22,3
308,2
0,15 €
A1
0,90
0,10
3,00
0,62
0,267
43,17 €
4,3
16,1
2,68 €
17,3
242,7
0,18 €
A2
0,80
0,20
3,00
0,64
0,267
41,05 €
3,7
13,9
2,96 €
15,7
220,2
0,19 €
A3
0,70
0,30
3,00
0,67
0,267
38,98 €
2,9
10,9
3,59 €
16,3
228,6
0,17 €
B1
0,90
0,10
3,00
0,62
0,266
43,05 €
4,7
17,7
2,44 €
22,3
315,2
0,14 €
B2
0,80
0,20
3,00
0,64
0,266
40,79 €
4,0
15,0
2,71 €
20,9
295,4
0,14 €
B3
0,70
0,30
3,00
0,66
0,266
38,58 €
3,5
13,2
2,93 €
17,5
247,3
0,16 €
C1
0,90
0,10
3,00
0,62
0,265
42,52 €
4,0
15,1
2,82 €
23,8
338,9
0,13 €
C2
0,80
0,20
3,00
0,64
0,264
39,75 €
3,5
13,3
3,00 €
20,3
291,3
0,14 €
C3
0,70
0,30
3,00
0,67
0,262
37,05 €
3,6
13,7
2,70 €
18,9
275,3
0,13 €
CV1
0,90
0,10
3,00
0,60
0,278
43,85 €
4,5
16,2
2,71 €
19,9
257,5
0,17 €
CV2
0,80
0,20
3,00
0,59
0,303
43,28 €
3,9
12,9
3,36 €
18,4
200,4
0,22 €
CV3
0,70
0,30
3,00
0,58
0,305
41,02 €
4,0
13,1
3,13 €
20,7
222,5
0,18 €
Bibliografia
[1] Vitrúvio, M. Os dez livros de arquitectura. Rua, H., Grémio das Empresas de
Conservação e Restauro do Património Arquitectónico, Instituto Superior Técnico,
Fundação para Ciência e Tecnologia, Lisboa, 1998.
[2] Sousa Coutinho, A. I. La Puzolana y sus propiedades, Memória nº 211, Laboratório
Nacional de Engenharia Civil, Lisboa, 1963.
[3] Pereira, E. Carta Geológica de Portugal na escala 1/200.000. Notícia explicativa da
Folha 1. Serviços Geológicos de Portugal, Lisboa, 1992.
[4] Barbosa, B. Barro vermelho dos depósitos de Alvarães e Vale do Cávado. Relatório
Interno, Serviço de Fomento Mineiro, 1974.
[5] Alves, M. Definição formal da Formação de Alvarães (Placenciano da região do
Minho- NW Portugal). Comunicações dos Instituto Geológico e Mineiro, 197-212,
1999.
[6] Ferraz, E. Caulinos de Alvarães: propriedades e aplicações cerâmicas. Dissertação de
Doutoramento, Universidade de Aveiro, 2004.
[7] Schultz, L. G. Quantitative interpretation of mineralogical composition from X-ray and
chemical data for the Perre Shale. Unites States Geological Survey, Professional
Paper 391-C, 1-31, 1964.
[8] Thorez, J. Practical identification of clays minerals. Ed. G. Lelotte, Dison, 1976.
[9] Lourenço, Jorge O ensino das argamassas nas escolas de engenharia civil, APFAC, 1º
Congresso das Argamassas de Construção, Lisboa, 2005.
[10] Vénuat, Michel Ciments et bétons, Que sais-je? nº 1339, Presses Universitaires de
France, Paris, 1973