IX Congreso Internacional sobre Patología y Recuperación de Estructuras IX International Congress on Pathology and Repair of Structures João Pessoa‐PB (Brasil), 2 a 5 de junho de 2013 Manifestações patológicas na construção Uma discussão sobre a reação álcali‐agregado (RAA), seu mecanismo e os fatores que a influenciam. A discussion of the alkali‐aggregate reaction (AAR), its mechanism and the factors that influence it Gomes Neto, D.P. (1); Barreto, L.S. (2) (1) Doutorando, Universidade Federal de Sergipe / Instituto Federal de Sergipe.
(2) Doutora, Universidade Federal de Sergipe.
[email protected]. Av. Marechal Rondon, s/n. Jardim Rosa Elze. São Cristóvão, Sergipe. Núcleo de
Ciência e Engenharia de Materiais / Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais.
Resumo A reação álcali‐agregado (RAA) é uma manifestação patológica que tem preocupado engenheiros e pesquisadores do mundo inteiro. Para a sua ocorrência, faz‐se necessária a interação de minerais reativos (presentes em alguns agregados) com os álcalis (Na e K), fornecidos principalmente pelo cimento, além da presença da umidade. Como resultado, surgem produtos de reação higroscópicos no concreto que provocam esforços de tração, ocasionando fissuras e até trincas na estrutura, afetando suas resistências mecânicas e durabilidade. Nas últimas décadas, muito se tem estudado e feito para combater esta manifestação patológica, porém, pode‐se afirmar que a eliminação do problema não é garantida para todas as construções. A diversidade e a heterogeneidade dos materiais empregados (agregados, cimentos, pozolanas, aditivos e água), como também dos ambientes que envolvem as estruturas, apontam a complexidade do problema. Este trabalho é parte integrante de uma Tese de Doutorado e, utilizando pesquisas já realizadas, discute aspectos relevantes e contraditórios sobre seu mecanismo e fatores que podem desencadear e/ou afetar a RAA. Características mineralógicas, fonte dos álcalis, tamanho e forma dos agregados, umidade e temperatura são aqui discutidos como contribuição ao entendimento e combate ao fenômeno. Palavra‐Chave: Reação álcali‐agregado, concreto, agregado, manifestação patológica. Abstract The alkali‐aggregate reaction (AAR) is a pathological manifestation that has concerned engineers and researchers around the world. For its occurrence, interaction between reactive minerals (present in some aggregates) and alkalis (Na and K), supplied primarily by cement, is required, besides the presence of moisture. As a result, hygroscopic reaction products in the concrete arise causing tensile stresses, leading to cracks in the structure, affecting its mechanical strength and durability. In recent decades, much has been studied and done to combat this pathology, however, it can be stated that the elimination of the problem is not a guarantee for all buildings. The diversity and the heterogeneity of the materials used (aggregates, cements, pozzolans, additives and water), as well as the environments that involve the structures, indicate the complexity of the issue. This work is part of a PhD thesis and, using previous studies, discusses relevant and contradictory issues about its mechanism and factors that can trigger and / or affect the AAR. Mineralogical characteristics, source of alkalis, size and shape of aggregates, moisture and temperature are discussed here as a contribution to understanding and combating the phenomenon. Keywords: Alkali‐aggregate reaction, concrete, aggregate, pathology. Anais do IX Congresso Internacional sobre Patologia e Recuperação de Estruturas – CINPAR 2013 IX Congreso Internacional sobre Patología y Recuperación de Estructuras IX International Congress on Pathology and Repair of Structures João Pessoa‐PB (Brasil), 2 a 5 de junho de 2013 1. Introdução A reação álcali‐agregado (RAA) é uma manifestação patológica que tem preocupado engenheiros e pesquisadores do mundo inteiro. Com suas inúmeras incógnitas, vem desafiando os profissionais da área da construção civil e áreas afins para a compreensão dos seus mecanismos e possíveis soluções. Os desafios são grandes e até o presente momento pode‐se dizer que a solução para o problema não foi, por completo, encontrada. Muitas pesquisas, por exemplo, já comprovaram a eficiência das pozolanas (sílica ativa, cinzas volantes, metacaulim, etc.) na redução dos efeitos da RAA a níveis considerados aceitáveis, de acordo com as normas vigentes, porém, nos estudos de caracterização avançada os produtos de reação muitas vezes estão presentes na microestrutura do material, o que não necessariamente garante estabilização em longo prazo, principalmente se agentes externos contribuem para a ocorrência da reação. Produtos têm sido detectados décadas após a produção do material. Além disso, muitas dessas soluções podem não ser viáveis, técnica e economicamente, em todas as localidades. Agregados de diversas origens; aglomerantes com variadas composições químicas; diferentes pozolonas disponíveis; aditivos químicos variados e a diversidade de ambientes de exposição completam a dificuldade para a definição de um único mecanismo de reação e da definição de uma única solução para a eliminação ou mitigação do problema. A RAA é uma reação química, com mecanismo em permanente estudo, invisível aos olhos humanos, que parte dos materiais básicos do concreto (cimento, agregado e água) dos quais, um deles (o agregado) é normalmente apresentado como “inerte”, ou seja, para o corpo técnico, este seria sempre o componente que não reagiria quimicamente com nenhum outro. Partindo desta reação química, podem surgir os produtos de reação que podem ou não ocasionar fissuras no material em períodos curtos ou em até anos após o início da reação, quando já não se esperam mais problemas ocasionados pela escolha dos materiais. Além disso, em virtude da reação exigir alta umidade, no caso das construções prediais, a manifestação ocorrerá, principalmente, nas fundações, fora do alcance da visão. Os setores mais ocupados com o problema são os das construções de barragens, de obras viárias como pontes, viadutos e pavimentos rígidos de concreto por utilizarem grande volume de material em constante contato com a umidade. No Brasil, o colapso do Edifício Areia Branca, em 14 de outubro de 2004, na Zona Sul da Região Metropolitana do Recife, que vitimou 04 pessoas [1], provocou um intenso movimento para Anais do IX Congresso Internacional sobre Patologia e Recuperação de Estruturas – CINPAR 2013 IX Congreso Internacional sobre Patología y Recuperación de Estructuras IX International Congress on Pathology and Repair of Structures João Pessoa‐PB (Brasil), 2 a 5 de junho de 2013 descobrir as causas da sua ruína. Silva [1] comenta que especulações foram feitas por parte de técnicos apontando o fenômeno da RAA como principal causa do desabamento do Edifício, ideia descartada logo após a divulgação do laudo do CREA‐PE que acusou vícios construtivos durante a execução da obra. Com este ocorrido, vários condomínios iniciaram vistorias em suas fundações, prática pouco comum exceto em situações preocupantes, diagnosticando aproximadamente 20 edifícios residenciais e comerciais com fundação comprometida pela RAA na Região. No ambiente científico há grande dificuldade em representar com fidelidade os fenômenos que se repetem em campo. Os ensaios normatizados, em todo o mundo, apontam divergências de resultados quando comparados aos efeitos presenciados nas estruturas reais. Ensaios de curta duração trazem resultados divergentes dos ensaios de longa duração, quando utilizam os mesmos materiais. Colaborando com esta afirmação, Chatterji [2] comenta que duas demandas contraditórias são feitas pelos consumidores: a) verificar a reatividade álcali‐agregado em um tempo razoavelmente pequeno, e b) avaliar e fixar um limite aceitável das expansões em longo prazo de uma combinação agregado‐cimento reativa. E afirma: “Na maioria das especificações estes dois objetivos são combinados em um único método de ensaio. Os critérios de aceitação são, frequentemente, escolhidos de forma arbitrária, fixando uma porcentagem de expansão em um determinado tempo fixo. Este critério desconsidera que uma baixa taxa de expansão pode dar expansões finais muito altas com maior dano à estrutura”. Swamy [3] completa que a RAA é difícil de identificar e monitorar, que há diversos parâmetros interdependentes e que os testes não garantem que a estrutura nunca será afetada. 2. Definição De um modo geral, o fenômeno ocorre quando alguns minerais presentes nos agregados reagem quimicamente com os álcalis (Na e K) provenientes, principalmente, mas não exclusivamente, do cimento, formando um gel higroscópico que na presença da umidade pode causar fissuras e até trincas no concreto, comprometendo sua estabilidade dimensional, sua capacidade portante e a sua durabilidade. Esta definição representa bem a complexidade do fenômeno com as suas variáveis. Os dois principais elementos que geram a RAA (constituintes mineralógicos do agregado e os álcalis) dão margem a questionamentos. Os agregados considerados reativos apresentam configurações e composições extremamente variadas influenciando diferentemente na ocorrência da RAA e os hidróxidos alcalinos, essenciais para a reação, não têm como única fonte os cimentos. Atualmente, Anais do IX Congresso Internacional sobre Patologia e Recuperação de Estruturas – CINPAR 2013 IX Congreso Internacional sobre Patología y Recuperación de Estructuras IX International Congress on Pathology and Repair of Structures João Pessoa‐PB (Brasil), 2 a 5 de junho de 2013 já se confirma que alguns agregados contribuem na formação de um ambiente alcalino propício à RAA [4,5]. Além disso, a água de amassamento, os aditivos químicos e as adições devem ser considerados no estudo do fenômeno. Um dos fatores essenciais para o início e o desenvolvimento da RAA é a umidade. A umidade interna e a externa são preponderantes para o desencadeamento do processo. Poole [6] quando define a RAA, reforça: “a reação química também requer água para a formação dos produtos de reação (gel sílico‐alcalino) que tendem a inchar com a absorção de umidade”. E completa: “a quantidade do gel e sua pressão de dilatação são muito dependentes da temperatura, tipo e proporção dos materiais reativos, composição do gel, entre vários outros fatores. Tipicamente, as reações podem levar entre 05 e 12 anos para se desenvolver”. As mais evidentes manifestações da RAA na estrutura são as fissuras e deslocamentos de membros estruturais, porém as fissuras, resultado de excessivas tensões internas de tração podem, também, serem causadas por carregamentos externos, retrações iniciais, elevados gradientes de temperatura durante a cura, corrosão das armaduras, gelo e degelo e ataques internos e externos de sulfatos. [7] A NBR 15577‐1 [8] subdivide A RAA em três tipos: a) Reação álcali‐sílica (RAS); b) Reação álcali‐
silicato, e; c) Reação álcali‐carbonato (RAC). Muitos autores reúnem os tipos “a” e “b” em uma única classificação, denominada reação álcali‐sílica (RAS). Tiecher [9], apropriadamente, cita que os silicatos amorfos, ou com baixíssima cristalinidade, desencadeiam a reação do tipo álcali‐sílica e os silicatos melhor cristalizados desencadeiam a reação álcali‐silicato e, sendo assim, dada a variedade de silicatos existentes, as reações álcali‐sílica e álcali‐silicato, se assim definidas, podem ocorrer simultaneamente no concreto. Já a reação álcali‐carbonato (RAC) é um tipo de reação em que participam os álcalis e agregados rochosos carbonáticos. A forma mais conhecida de deterioração do concreto é devida à desdolomitização da rocha e consequente enfraquecimento da ligação pasta‐agregado, não havendo formação de gel expansivo. [8] Tiecher [9] ainda acrescenta que cada silicato possui características em sua estrutura cristalina que acabam por definir seu maior ou menor potencial álcali‐reativo, ou seja, os tipos de ligações entre os íons definem a maior ou menor facilidade de acesso dos hidróxidos alcalinos. Anais do IX Congresso Internacional sobre Patologia e Recuperação de Estruturas – CINPAR 2013 IX Congreso Internacional sobre Patología y Recuperación de Estructuras IX International Congress on Pathology and Repair of Structures João Pessoa‐PB (Brasil), 2 a 5 de junho de 2013 3. A química e o mecanismo da RAA A química e o mecanismo da RAA vêm sendo relatados por vários autores. A cada estudo novas possibilidades surgem para complementar as pesquisas pioneiras, colaborando com a compreensão do fenômeno. De um modo geral, a RAA parte de uma reação ácido‐base com a liberação, na solução de poros do concreto, dos íons hidroxila (OH‐) e dos íons Na+ e K+ (provenientes dos produtos de baixa solubilidade). Os íons OH‐ reagem com os agregados considerados reativos e os íons Na+ e K+ são atraídos para contrabalancear as cargas negativas formando um gel sílico‐alcalino. Os silicatos amorfos ou com baixíssima cristalinidade permitem a penetração dos íons (OH‐, Na+ e K+) no interior rede cristalina intensificando as reações, ao contrário dos silicatos cristalinos. [10,11,12] Chatterji [2] comenta que as cargas negativas quando contrabalanceadas pelos íons de cargas positivas, formam uma dupla camada elétrica na superfície dos grãos individuais. Dentro da dupla camada a concentração de íons positivos excede a dos íons negativos e a concentração da solução que está em contato com a superfície é diferente da concentração do bulk desta solução. Segundo o autor, o potencial elétrico negativo dá preferência à migração de íons bivalentes (Ca2+) o que explicaria, em alguns casos, a presença de CaO nos produtos de reação. Uma explicação sobre a origem e o significado da solução de poros no concreto torna‐se indispensável. O fator água/cimento é um importante parâmetro na fase da mistura do concreto. Comumente, seus valores estão entre 0.35 e 0.60 permitindo uma trabalhabilidade adequada. Porém, Glasser [13] cita que um fator a/c próximo de 0.24 seria suficiente para a completa hidratação do cimento. Acima disto, uma fase aquosa em excesso é formada. Durante os estágios iniciais da hidratação, a fase aquosa é mais abundante. Posteriormente, produtos de hidratação (C‐S‐H, Ca(OH)2, etc.) são formados tornando a fase aquosa gradualmente descontínua, permanecendo um espaço para acomodar o fluido remanescente, daí o termo “solução de poros”. Esta serve como uma ponte entre os produtos de hidratação do cimento e os agregados, permitindo que materiais de espécies solúveis, como os íons hidroxila e os íons alcalinos, sejam transportados. Em um concreto contendo agregados reativos, o potencial para danos por reação álcali‐sílica é fortemente influenciado pela composição da solução de poros. O conteúdo de álcalis, principalmente o sódio (Na+) e o potássio (K+), na solução de poros, apresenta‐se como um dos Anais do IX Congresso Internacional sobre Patologia e Recuperação de Estruturas – CINPAR 2013 IX Congreso Internacional sobre Patología y Recuperación de Estructuras IX International Congress on Pathology and Repair of Structures João Pessoa‐PB (Brasil), 2 a 5 de junho de 2013 principais fatores para o desenvolvimento da reação álcali‐sílica. A maior contribuição de álcalis na solução vem do cimento. [14] Chatterji [2] cita que a composição da solução de poros afeta a taxa e a extensão da reação álcali‐
agregado. Até às primeiras oito horas, a solução contém uma mistura de íons Ca2+, K+, Na+, OH‐ e SO42‐. Após este tempo, a concentração de Ca2+ e SO42‐ cai rapidamente e aquela de álcalis e íons hidroxila aumenta, tanto que, segundo o autor, a solução dos poros é convertida em um concentrado de hidróxidos alcalinos e apenas traços de íons de cálcio e pouca sílica são encontrados. Sims & Poole [15] reforçam que o hidróxido de cálcio [Ca(OH)2] seria um dos fatores críticos para a ocorrência da RAA e que explicaria a eficácia de algumas adições minerais (sílica ativa, escória de alto‐forno, cinzas volantes, etc.) como mitigadores da expansão, justamente por utilizar o hidróxido de cálcio para suas atividades pozolânicas. A composição e a textura dos produtos da reação têm sido estudadas por um grande número de pesquisadores, com variações significativas, dependendo ainda do tempo e do local da exposição. De um modo geral, o “gel” formado tem alto e variado conteúdo de sílica, baixo e variado conteúdo de cálcio e baixo e relativamente constante conteúdo de álcalis. [14] Segundo Tremblay et al. [16], íons de cálcio (Ca2+) apresentam, também, um importante papel na formação do “gel”, contendo este, significativa quantidade de cálcio. Explicam que testes de imersão em soluções alcalinas por longos anos, utilizando vários agregados com sílicas reativas, porém livres de cálcio, claramente demonstraram que grande quantidade de sílica pode ser dissolvida e permanecer na solução até que Ca(OH)2 seja incorporado no sistema, resultando na precipitação de “gel” rico em álcalis, silício e cálcio. A capacidade do “gel” inchar está também relacionada aos íons de cálcio presentes em sua composição, que depende da quantidade de Ca2+ disponível na solução de poros, que varia com o tipo de cimento. [15] Os produtos da reação álcali‐agregado (“géis”) variam quimicamente, dependendo da composição da solução de poros e, provavelmente, da forma das sílicas reativas, temperatura de reação e concentração dos reagentes [6]. O “gel” não é totalmente solúvel e concentra‐se ao redor da superfície dos grãos reativos, podendo também, quando suficientemente fluido, exsudar ao longo das fissuras, preenchendo vazios e alcançando, em alguns casos, a superfície do concreto. [6,13] Anais do IX Congresso Internacional sobre Patologia e Recuperação de Estruturas – CINPAR 2013 IX Congreso Internacional sobre Patología y Recuperación de Estructuras IX International Congress on Pathology and Repair of Structures João Pessoa‐PB (Brasil), 2 a 5 de junho de 2013 O “gel” é usualmente transparente e resinoso em sua aparência, com viscosidade entre o óleo para motores e a resina e, tipicamente, com o tempo e em contato com o ar, carbonata tornando‐
se esbranquiçado e duro, com fissuras semelhantes às observadas em finas camadas de lama seca [6]. Hasparik [17], em estudos com “géis” exsudados, na superfície do concreto da galeria de drenagem do vertedouro da Usina Hidrelétrica de Furnas, cita que os produtos apresentaram superfície lisa a rugosa, rígidos, semelhante a vidro por se quebrarem quando golpeados. O “gel”, sendo higroscópico, incha com a presença da umidade, podendo causar tensões de até 11 MPa, provocando rupturas internas no concreto por tração [6]. 4. Fatores que influenciam a RAA 4.1. O cimento e o teor de álcalis Os cimentos comuns têm como matérias‐primas básicas as pedras calcárias e as argilas. Estas são calcinadas em fornos, a altas temperaturas (aproximadamente 1450 oC), onde uma série de reações químicas ocorre enquanto os materiais são progressivamente queimados [13]. Os álcalis são derivados das argilas da matéria‐prima dos cimentos. Se o material argiloso contém mica ou argila ilítica, então o clínquer será rico em potássio, enquanto se feldspatos estão presentes, o clínquer poderá conter mais sódio, potássio ou ambos, dependendo da composição do feldspato. A proporção final dos álcalis presentes no clínquer dependerá dos teores de mica, ilita ou de feldspato. [6] Os compostos C3S, C2S, C3A e C4AF, formados durante a queima das matérias‐primas, quando hidratados, são os responsáveis pela formação dos principais produtos de hidratação do cimento, tais como o C‐S‐H (silicato de cálcio hidratado, com cristalinidade, morfologia e composição variável), cristais de Ca(OH)2, também chamados de portlandita, e a etringita (monossulfatoaluminato de cálcio hidratado). Tais fases são as responsáveis pelas principais propriedades do cimento, como resistência mecânica, calor de hidratação, tempo de pega, e contribuem muito para a liberação de íons hidroxila (OH‐) à solução de poros do concreto. Sims & Poole [15] confirmam que os cimentos Portland sempre contêm compostos alcalinos solúveis que entram na solução de poros, muito cedo, ainda no processo de hidratação. Anais do IX Congresso Internacional sobre Patologia e Recuperação de Estruturas – CINPAR 2013 IX Congreso Internacional sobre Patología y Recuperación de Estructuras IX International Congress on Pathology and Repair of Structures João Pessoa‐PB (Brasil), 2 a 5 de junho de 2013 Vários autores citam a importância de fixar o teor máximo de álcalis. Uma dessas formas é adotar o “Na2O equivalente”, ou abreviando, Na2Oeq. De acordo com o ACI Committee 221 [7], o Na2Oeq é muito útil na prevenção da RAA e pode ser calculado segundo a Eq.(1). Na2Oeq = (% Na2O) + 0.658 x (% K2O). (1) ACI Committee 221 [7] comenta que cimentos com limite de 0.60% para o Na2Oeq (cimentos com baixa alcalinidade) podem ser usados para minimizar a deterioração do concreto quando agregados reativos são utilizados, porém, cita que excessivas expansões já ocorreram com cimentos contendo 0.58% de Na2Oeq e que argamassas com teores de 0.40% ou menos não apresentaram excessivas expansões. Segundo Sims & Poole [15], experiências demonstraram que usualmente apenas cimentos com alto teores de álcalis (Na2Oeq > 1.0 %) estavam envolvidos em danos por RAA, levando os E.U.A. a tomar medidas de controle utilizando cimentos com Na2Oeq < 0.6%. No Reino Unido, adotou‐se o conteúdo de álcalis em relação à massa de concreto, sendo este menor que 3.0 kg/m3. Em alguns casos os efeitos das reações são observados, embora os níveis de álcalis estivessem muito abaixo de 3.0 kg/m3. [6] Lindgard et al. [14] apontam resultados contraditórios na literatura e conclui: “é possível obter resultados equivocados se dois cimentos tendo o mesmo Na2Oeq, porém, com extremas variações nos níveis de Na2O e K2O, forem considerados semelhantes quando estudados. Em outras palavras, se um destes cimentos for usado para determinar um limite crítico de álcalis para um determinado agregado, seus resultados não necessariamente poderão ser aplicados para o outro cimento com o mesmo Na2Oeq”. Além disso, segundo Leemann e Lothenbach [18], Na2Oeq pode não ser sempre um parâmetro confiável para definir o potencial dos cimentos, pois:  Os metais alcalinos no cimento podem também estar presentes como sulfatos de sódio e potássio ou estarem ligados a silicatos ou aluminatos. Dependendo das quantidades presentes em diferentes fases minerais, as concentrações de metais alcalinos dissolvidos durante o primeiro estágio da hidratação são diferentes;  O uso do termo Na2Oeq implica que os efeitos do potássio e do sódio são equivalentes. Entretanto, numerosos estudos indicam que suas influências na dissolução do quartzo e da sílica não são idênticas. Anais do IX Congresso Internacional sobre Patologia e Recuperação de Estruturas – CINPAR 2013 IX Congreso Internacional sobre Patología y Recuperación de Estructuras IX International Congress on Pathology and Repair of Structures João Pessoa‐PB (Brasil), 2 a 5 de junho de 2013 4.2. Agregados Para vários tipos de rochas, existem variedades reativas e não‐reativas de acordo com sua composição mineralógica ou textura. A classificação quanto à reatividade tem um forte caráter regional. O primeiro passo para a avaliação do potencial álcali‐reativo deve ser a caracterização petrográfica, porém uma genérica classificação do tipo de rocha, apenas, não é confiável. Devido a diferentes históricos geológicos, um tipo de rocha pode ser inócuo em um país ou região e reativo em outro. [14] Abaixo, são descritos os principais fatores dos agregados que influenciam no desencadeamento da RAA. 4.2.1. A sílica e alguns aspectos mineralógicos Na natureza, SiO2 ocorre principalmente como mineral de quartzo. Estruturalmente, possui um átomo de silício, no centro de um tetraedro, ligado a quatro átomos de oxigênio. Cada oxigênio desta estrutura é ligado a dois outros tetraedros, geometricamente muito similares, formando um arranjo tridimensional. Um grande número de arranjos é possível, formando estruturas que diferenciam energeticamente entre si. Por exemplo, o quartzo é o mineral silicoso mais abundante e suas ligações atômicas são fortes, com estrutura densa, sendo relativamente não reativos na presença da maioria dos ácidos ou álcalis. [13] Todos os agregados reativos têm em comum algumas características: todos possuem SiO2 como maior componente e ainda têm uma estrutura cristalina “aberta” e com defeitos [2]. Quanto mais desorganizada (menos cristalina) e instável é a estrutura dos minerais que compõem um agregado, mais reativo será este. Quanto à sua reatividade aos álcalis, em ordem decrescente, encontram‐se os minerais com estrutura amorfa (opala e vidro), microscristalina a criptocristalina (calcedônia), metaestável (tridimita e cristobalita) e cristalina (quartzo e feldspato deformados e filossilicatos alterados). [8,12] Sílica é um material que dissolve em condições altamente ácidas ou alcalinas. Testes em laboratório para avaliar o potencial reativo de agregados silicosos baseiam‐se no conceito de que a energia livre do quartzo, que determina sua solubilidade, está relacionada com a quantidade de defeitos na rede cristalina e no grau de cristalização. Em condições ambientes, minerais sílicosos amorfos finamente moídos dissolvem muito facilmente em solvente com alto pH que o quartzo cristalino. Quartzo deformado é considerado altamente reativo devido a sua estrutura cristalina Anais do IX Congresso Internacional sobre Patologia e Recuperação de Estruturas – CINPAR 2013 IX Congreso Internacional sobre Patología y Recuperación de Estructuras IX International Congress on Pathology and Repair of Structures João Pessoa‐PB (Brasil), 2 a 5 de junho de 2013 distorcida [14]. Tiecher [9] estudou a influência da deformação do quartzo no desencadeamento da RAA, utilizando rochas graníticas com diferentes graus de deformação e constatou que rochas com quartzo muito deformado levam a uma maior velocidade do desencadeamento da reação. Glasser [13] explica que estruturas silicosas pouco cristalinas têm facilidade de substituir SiO4 por H2O, por similaridade geométrica. Ligações Si‐O‐Si são quebradas por hidroxilação e substituídas por mais ligações do tipo Si‐OH...OH‐Si, onde “...” representa ligações fracas de hidrogênio. Com isso, sílicas amorfas hidratadas, como a opala, podem ser muito reativas na presença dos álcalis. Por causa da baixa cristalinidade, estes minerais são difíceis de serem caracterizados por difração de raios‐X, porém podem ser detectados por análises petrográficas. Poole [6] acrescenta que a quantidade de sílica reativa em uma rocha, necessária para produzir efeitos deletérios por RAA, é muito pequena. Apenas 2% de componentes reativos são suficientes para, em certos casos, provocar severos danos ao concreto. Sims & Poole [15] atentam que os teores e as formas das sílicas reativas no agregado podem variar largamente. Não há uma simples relação entre a proporção dos constituintes potencialmente reativos no agregado com as magnitudes da reação e da expansão. De fato, em alguns casos, a máxima expansão ocorre com proporções relativamente baixas do material reativo no agregado; esta proporção crítica tem sido chamada de “proporção péssima” ou “teor péssimo”. Uma grande variedade de valores “péssimos” tem sido identificada em diferentes tipos de agregados. Para agregados com rápidas reações, como a opala, a máxima expansão pode ocorrer para baixos conteúdos de materiais reativos. A descrição mineralógica é muito importante, pois permite indicar se as expansões causadas são efetivamente da RAA, em virtude da identificação da fase deletéria presente. Porém, não pode ser única e conclusiva quanto ao desempenho do concreto em campo. [12] 4.2.2. Dimensões e forma das partículas Multon et al. [19] indicam que a influência do tamanho das partículas do agregado está relacionada às suas natureza e composição. Testes com agregados de rápida reatividade, com proporções similares de sílica solúvel em diferentes tamanhos de partículas, mostraram que as expansões variaram para os diferentes tamanhos, sendo essas expansões mais elevadas para as partículas maiores que 1 mm. Os autores obtiveram expansões insignificantes para partículas reativas menores que 50 a 150 µm. Anais do IX Congresso Internacional sobre Patologia e Recuperação de Estruturas – CINPAR 2013 IX Congreso Internacional sobre Patología y Recuperación de Estructuras IX International Congress on Pathology and Repair of Structures João Pessoa‐PB (Brasil), 2 a 5 de junho de 2013 Em contradição ao exposto acima, Lindgard et al. [14] comentam que, em resposta a estudos realizados com agregados silicosos, entre 0.15 mm e 10 mm, as partículas com menores dimensões apresentaram maiores expansões devido à RAA. Quando agregados maiores são utilizados, as expansões são menores nas primeiras idades, mas aumentam continuamente em idades mais avançadas. Salienta ainda que, o uso de agregados muito finos pode destruir a microestrutura original característica da rocha e, assim, subestimar a reatividade quando em testes em argamassas. A reatividade da fase deverá ser tanto maior quanto mais fina for a granulação dos agregados, pois maior será a superfície para reagir. [12] Ramyar et al. [20] concluíram que a angularidade das partículas tem efeito desprezível na expansão por RAA, tanto para partículas muito grandes, quanto para muito pequenas. Porém, para dimensões intermediárias, o efeito da angularidade é mais evidente. Acredita‐se que diversos fatores podem influenciar estes resultados: os métodos de redução das partículas, que podem influenciar na forma, na textura, na fratura, e em outras características; diferentes condições experimentais, incluindo o tipo e concentração dos agentes agressivos, o tempo, a temperatura de exposição à agressão; diferentes naturezas dos agregados, entre outros. 4.2.3. Liberação de álcalis Alguns tipos de agregados contendo certos minerais, tais como micas, argilo‐minerais, feldspatos alcalinos, zeólitas e vidros vulcânicos, podem gradualmente liberar significantes quantidades de álcalis, como o sódio e potássio, à solução de poros do concreto. A temperatura tem uma enorme influência na extração dos álcalis, que varia com o tipo de rocha, a dimensão das partículas e o tipo de solução. [14,15] Bérubé et al. [4] estudaram 17 tipos de agregados imersos em soluções de NaOH, KOH e Ca(OH)2 a uma temperatura de 38 oC por até 578 dias, verificando que os agregados liberaram entre menos que 0.01% até 0.19% de álcalis, medidos em Na2Oeq. Isso corresponderia a uma contribuição de álcalis no concreto entre menos que 0.1 à 3.4 kg/m3. Os autores sugerem que grandes quantidades de álcalis são fornecidas pelos agregados, especialmente aqueles ricos em feldspatos. Constantiner & Diamond [5] realizaram medidas da concentração de álcalis nas soluções de poro de argamassas produzidas com feldspatos e agregados reativos, verificando que houve significante liberação de íons dos álcalis na solução de poros e que estes íons foram detectados, também, em produtos da RAA. Anais do IX Congresso Internacional sobre Patologia e Recuperação de Estruturas – CINPAR 2013 IX Congreso Internacional sobre Patología y Recuperación de Estructuras IX International Congress on Pathology and Repair of Structures João Pessoa‐PB (Brasil), 2 a 5 de junho de 2013 4.3. Umidade e temperatura A reação álcali‐agregado (RAA) necessita da água para a sua ocorrência. Entretanto, a água tem um duplo papel na reação: primeiramente, é essencial para “conduzir” os cátions alcalinos e os íons hidroxilas; secundariamente, é absorvida pelo gel higroscópico que incha, desenvolvendo pressão suficiente para fissurar o concreto. [6] ACI Committee 221 [7] afirma que a umidade relativa interna abaixo de 80% não será suficiente para desencadear a reação. Para concretos convencionais, uma parte da água usada para a mistura normalmente estará disponível por um longo período mesmo em condições externas secas. Entretanto, para um baixo fator a/c a água poderá ser utilizada apenas para a hidratação do cimento. Sims & Poole [15] indicam que qualquer umidade relativa em excesso (em torno de 75%) é considerada como desencadeadora da reação. Isso significa que qualquer concreto exposto a ambientes externos úmidos e quentes estará em risco, se contém materiais reativos. Experiências em regiões desérticas dos E.U.A., com periódicas inundações, comprovaram que podem ocorrer expansão e fissuração do material por RAA mesmo nestas condições. Poole [6] acrescenta que, mesmo em condições secas, a umidade relativa interna do concreto permanece entre 80% e 90%, retendo fluido nos poros, exceto em alguns milímetros da camada superficial da peça estrutural. Indica, também, que superfícies expostas a ciclos de molhagem e secagem contribuem para o movimento dos álcalis auxiliando a ocorrência da reação em determinados pontos da estrutura. Importante pesquisa sobre o papel da água na RAS, realizada por Larive et al.[21] , utilizando variadas exposições à umidade, concluíram que:  Concretos reativos não absorvem mais água que os demais não‐reativos, ou seja, a movimentação de água não é afetada pela RAA;  A expansão por RAA aumenta com o fornecimento de água externa;  Fornecimento irregular de água externa afeta irreversivelmente as expansões;  A expansão pode alcançar 0,1% mesmo sem o ingresso de água no concreto, levando a degradação estrutural. Anais do IX Congresso Internacional sobre Patologia e Recuperação de Estruturas – CINPAR 2013 IX Congreso Internacional sobre Patología y Recuperación de Estructuras IX International Congress on Pathology and Repair of Structures João Pessoa‐PB (Brasil), 2 a 5 de junho de 2013 Como a maioria das reações químicas, a reação álcali‐agregado se intensifica com o aumento da temperatura. É mais fácil detectar a reação em altas temperaturas, porém, expansões de longa duração são maiores nas baixas temperaturas [2,6]. Temperaturas elevadas (60 oC a 80oC) têm sido usadas na realização dos testes acelerados para a detecção da RAA, na tentativa de se correlacionar com as experiências de campo. Quando os testes são de longa duração, temperaturas mais amenas são utilizadas. Bérubé e Frenette [22] usaram dois agregados canadenses muito reativos em prismas de concreto, variando a temperatura (38oC e 80oC), as soluções (NaOH e NaCl) e o tempo de exposição (em alguns casos até 672 dias, a 38oC e até 168 dias, a 80oC), concluindo que a ensaios em NaOH, a 80oC, são os mais rápidos, porém, são incertos para a determinação da potencialidade reativa de vários agregados e que testes com NaOH, a 38oC, apresentaram os melhores resultados, podendo ser utilizado por 6 meses e não necessariamente por até um ano ou mais. A norma brasileira que trata da reatividade álcali‐
agregado, a NBR 15577, em suas partes 4 [23] e 6 [24] regulamentam a exposição das barras de argamassa à temperatura de 80oC, por 30 dias, e prismas de concreto, a 38oC, por um ano, respectivamente. Poole [6] acrescenta que em altas temperaturas, a reação e a expansão se iniciam cedo e se desenvolvem muito rápido, mas, com o passar do tempo tanto a taxa de reação quanto a taxa de expansão desaceleram. 5. Mitigação da RAA Esforços têm sido empreendidos com o intuito de não apenas evitar a ocorrência do fenômeno em concretos novos, mas também em como interromper quando este já está instalado na estrutura. Silva [25] verificou a potencialidade de compostos à base de silanos com o objetivo de minimizar as expansões residuais em estruturas já afetadas. Tais compostos reagem quimicamente com materiais a base de sílica ou alumina, formando uma superfície hidrofóbica, impedindo o desencadeamento ou o prosseguimento da reação. Muitos estudos têm demonstrado que a reação álcali‐agregado (RAA) pode ser controlada usando compostos de lítio. Estudos mostram que vários sais de lítio podem reduzir a expansão quando usados em quantidades suficientes. Tremblay et al. [14] citam que o LiNO3 (nitrato de lítio) demonstra ser um dos compostos de lítio mais eficientes, porém sua eficácia varia com o Anais do IX Congresso Internacional sobre Patologia e Recuperação de Estruturas – CINPAR 2013 IX Congreso Internacional sobre Patología y Recuperación de Estructuras IX International Congress on Pathology and Repair of Structures João Pessoa‐PB (Brasil), 2 a 5 de junho de 2013 conteúdo de álcalis no concreto e o tipo de agregado reativo. Na realidade, os mecanismos envolvendo os sais de lítio ainda não estão muito bem compreendidos. MO et al. [26] citam que o uso de LiNO3, um sal neutro solúvel, não gera significativo aumento da concentração de OH‐, sendo um fator importante para a não ocorrência da RAA. Cândido et al. [27] estudaram a ação do LiNO3 em barras de argamassa já afetadas pela RAA (com expansões próximas de 0,19%), utilizando impregnação a vácuo com lítio, saturação total em lítio, saturação superficial em lítio, imersão em água deionizada e envolvimento em filme plástico. Após estes tratamentos as barras foram imersas em solução aquosa de NaOH (1 mol/L), a 80oC. O tratamento com saturação total em lítio apresentou melhor resultado em relação aos demais, registrando expansões residuais pós‐tratamento, em média, iguais a 0.009%, contra 0.024% quando imersas em água, 0.010% quando impregnadas à vácuo e saturadas superficialmente com lítio e 0.071% quando envolvidas em filme plástico. Estudo semelhante foi realizado pelos mesmos autores [28] utilizando prismas de concreto, já afetados pela RAA, com expansões próximas de 0,04%, determinando que a saturação superficial de lítio foi a mais eficiente em relação aos outros três tratamentos estudados. A eficiência das adições no combate à RAA tem sido estudada por vários autores. MUNHOZ [29] estudou o efeito da escória de alto‐forno, das cinzas volantes, do metacaulim e da sílica ativa na mitigação da RAA, concluindo que a expansão das barras de argamassa é reduzida sistematicamente com a elevação do teor de adições; que o teor mínimo necessário para mitigar as expansões é menor para a sílica ativa (em torno de 10%), enquanto que para a escória seria em torno de 50%; e que a sílica ativa seria a mais eficiente na minimização dos efeitos da RAA, seguida pelo metacaulim e cinzas volantes. Silveira [30] estudou o efeito das cinzas de casca de arroz (CCA) em concretos submetidos à RAA, concluindo que o efeito da incorporação da CCA na redução da expansão está diretamente relacionado ao tipo de cinza, ao tipo de agregado e ao teor de cinza utilizado. 6. Conclusões Tendo como base as informações supracitadas, podem ser listadas algumas conclusões: a) Há a dificuldade de generalizar mecanismo e soluções para a RAA em virtude da grande variedade de agregados, aglomerantes e ambientes de exposição; Anais do IX Congresso Internacional sobre Patologia e Recuperação de Estruturas – CINPAR 2013 IX Congreso Internacional sobre Patología y Recuperación de Estructuras IX International Congress on Pathology and Repair of Structures João Pessoa‐PB (Brasil), 2 a 5 de junho de 2013 b) Fatores como influência da umidade, do hidróxido de cálcio [Ca(OH)2], da forma e tamanho das partículas e a participação dos próprios agregados na liberação dos álcalis necessitam ser mais explorados; c) Ainda são necessários estudos para a definição de ensaios de curta duração que apresentem resultados convergentes com os de longa duração e condizentes com a realidade em campo; d) Compostos de lítio, principalmente o LiNO3, são apontados como agentes promissores para a mitigação da RAA, porém, há a necessidade de mais estudos sobre seu mecanismo de ação, colaborando na definição dos teores a serem utilizados no concreto. Compostos à base de silanos também se apresentam como possíveis mitigadores, além das adições minerais; e) O emprego de materiais previamente e cuidadosamente estudados pode reduzir muito a incidência da RAA em concretos novos, porém, são necessários mais estudos em estruturas já afetadas. 7. Referências [1] Silva G A. Recuperação de blocos de coroamento afetados pela reação álcali‐agregado. Dissertação de Mestrado, Universidade Católica de Pernambuco, Recife, PE; 2007 [2] Chatterji S. Chemistry of alkali‐silica reaction and testing of aggregates, Cement and Concrete Composities 2005; 27: 788‐795. [3] Swamy R N. Foreword to alkali‐silica reaction in concrete. In: Swamy R N, editors. The Alkali‐Silica Reaction in Concrete. London: Blackie and Son Ltd; 1992, foreword. [4] Berubé M A, Duchesne J, Dorion J F, Rivest M. Laboratory assessment of alkali contribution by aggregates to concrete and application to concrete structures affected by alkali‐silica reactivity. 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