MARCOS ALBERTO OSS VAGHETTI
EFEITOS DA CINZA VOLANTE COM CINZA DE CASCA DE ARROZ OU
SÍLICA ATIVA SOBRE A CARBONATAÇÃO DO CONCRETO DE CIMENTO
PORTLAND
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
UFSM
SANTA MARIA, RS, BRASIL
1999
EFEITOS DA CINZA VOLANTE COM CINZA DE CASCA DE ARROZ OU SÍLICA
ATIVA SOBRE A CARBONATAÇÃO DO CONCRETO DE CIMENTO
PORTLAND
por
MARCOS ALBERTO OSS VAGHETTI
Dissertação apresentada ao curso de Pós-Graduação em Engenharia Civil, da
Universidade Federal de Santa Maria (RS), como requisito parcial para obtenção do
grau de MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL.
Santa Maria, RS - BRASIL
1999
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL – MESTRADO EM
ENGENHARIA CIVIL
A COMISSÃO EXAMINADORA, ABAIXO ASSINADA, APROVA A
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
EFEITOS DA CINZA VOLANTE COM CINZA DE CASCA DE ARROZ OU SÍLICA
ATIVA SOBRE A CARBONATAÇÃO DO CONCRETO DE CIMENTO
PORTLAND
ELABORADA POR
MARCOS ALBERTO OSS VAGHETTI
COMO REQUISITO PARCIAL PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE
MESTRE
EM ENGENHARIA CIVIL
COMISSÃO EXAMINADORA:
_______________________________________________________
Prof. Dr. Geraldo Cechella Isaia – Orientador – UFSM/RS
______________________________________________________
Prof. Dr. Antônio Luiz G. Gastaldini – UFSM/RS
______________________________________________________
Prof. Dr. Cláudio de Souza Kazmierczak – UNISINOS/RS
Santa Maria, 22 de janeiro de 1999.
“Acho que vai certo método através das minhas incoerências. Creio que há uma
coerência que passa por todas as minhas incoerências – assim como há na natureza uma
unidade que permeia aparentes diversidades”(GANDHI, 1985, p. 67).
“O erro não se torna verdade por se difundir e multiplicar facilmente. Do mesmo modo
verdade não se torna erro pelo fato de ninguém a ver”(GANDHI, 1985, p. 68).
“Aqueles que tem um grande auto controle, ou que estão totalmente absortos no
trabalho, falam pouco. Palavra e ação juntas não andam bem. Repare na natureza:
Trabalha continuamente, mas em silêncio”(GANDHI, 1985, p. 76).
“O ser humano possuindo cultura e não tendo um interior equilibrado e altruísta, vai
transformando o conhecimento que possui em uma arma de poder, onde ao invés de
ajudar os outros seres a serem livres, faz dos mesmos objetos acríticos e escravos da sua
sabedoria”(Helenise Sangoi Antunes, 1991).
“O otimismo é o forte dos humildes, por isso sempre vencem; enquanto que o
pessimismo é o forte dos fracos, por isso estão sempre amargurados”(Marcos Alberto
Oss Vaghetti, 1988).
AGRADECIMENTOS
Neste momento importante da dissertação, após longo trabalho experimental e
extensa pesquisa bibliográfica, é necessário reconhecer como foi fundamental o trabalho
em conjunto. Quando pessoas e entidades, envolvidas direta ou indiretamente na
pesquisa, coordenaram ações na busca do aperfeiçoamento científico, cabe a mim a
tarefa de agradecer a todos, como reconhecimento do trabalho e do incentivo
demonstrados:
à minha esposa, Helenise, pela sua compreensão e ajuda nos momentos em que
necessitei fazer os ensaios no laboratório em feriados universais, como Natal e Ano
Novo. Pelo seu conhecimento e contribuição para a pesquisa em metodologia científica
e, mais do que tudo, pelo seu amor e carinho;
aos meus pais, Yolanda e Nilton, e aos meus irmãos, Marcelo, Marcio e Myrta,
pelo acolhimento, afeto e incentivo demonstrados ao longo da pesquisa;
ao meu orientador, professor Geraldo Isaia, pelo seu conhecimento adquirido ao
longo de anos, que me foi transmitido com segurança e determinação, para que eu
pudesse desenvolver a pesquisa com o máximo de rigor científico e voltado para o
objetivo principal, sem desviá-la para outros caminhos, o que é natural quando a
temática é envolvente e disseminada no meio técnico;
ao professor Antônio Gastaldini, pela paciência e dedicação em passar-me os
conhecimentos práticos de laboratório, necessários nos primeiros momentos da pesquisa
e imprescindíveis no transcorrer dos ensaios;
às empresas Sika S.A., Prontomix Tecnologia de Concreto Ltda. e Engenho Da
Cás Irmãos Ltda., um agradecimento especial pelos materiais doados para a pesquisa,
como o aditivo “Sikament”, a cinza volante e a cinza de casca de arroz,
respectivamente;
ao Laboratório de Materiais e Construção Civil - LMCC, na pessoa de seu
diretor, professor José Mario Doleys Soares, pela oportunidade em disponibilizar os
equipamentos e laboratoristas para a realização desta pesquisa, em especial, aos
laboratoristas Alceu, João, Aleise, Adelar, Gilberto, Mauro, Marialva e Vítor;
à Fundação de Amparo à Pesquisa no Rio Grande do Sul (FAPERGS), pelo
recurso financeiro destinado a esta pesquisa, que proporcionou a compra de
equipamentos e materiais e foi fundamental para o seu desenvolvimento. Também um
agradecimento à FIPE/UFSM, CNPq/UFSM e CAPES, pelos recursos e bolsas
concedidas a este trabalho;
ao curso de pós-graduação, na pessoa de seu coordenador, professor Jorge Luiz
Pizzutti dos Santos, pelo apoio e incentivo dispensado a este trabalho e também a todos
os alunos e professores que criaram um ambiente saudável e propício ao
desenvolvimento da pesquisa;
aos alunos bolsistas Elton Cagliari, Adriana Cipolatto e Magali Segatti, que
contribuíram significativamente para o sucesso deste trabalho, com suas dúvidas e
questionamentos sobre o tema da pesquisa e, principalmente, com a ajuda na preparação
dos materiais e moldagem dos corpos de prova, bem como na realização dos demais
ensaios;
ao meu colega de curso Jorge Sarkis e ao aluno de graduação Rafael Muñoz
pela valiosa contribuição na formatação do texto e ajustes dos gráficos no computador;
também agradeço muito a colaboração dos alunos de graduação Marcos Renk e
Rodrigo Bender, que, mesmo não sendo contemplados com bolsa de pesquisa, atuaram
com dedicação e pontualidade nos ensaios programados ao longo dos trabalhos;
à professora Tatiana Choutova pela sua dedicada atenção e rigor na elaboração
do abstract da dissertação;
um agradecimento especial para André do Nascimento, que cumpriu todas as
tarefas a ele destinadas com muito capricho e dedicação;
finalmente, agradeço a Deus por dar-me saúde e espírito forte para enfrentar
todas as dificuldades inerentes a um trabalho como este, e por manter-me livre e cheio
de esperança para encaminhar novas pesquisas.
Obrigado a todos.
SUMÁRIO
RESUMO ....................................................................................................................x
ABSTRACT ..............................................................................................................xii
LISTA DE TABELAS ..............................................................................................xiv
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................xv
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS .............................................................xvii
LISTA DE ANEXOS..................................................................................................xx
INTRODUÇÃO ..........................................................................................................1
CAPÍTULO I - O MECANISMO
DA
CARBONATAÇÃO
E
SUA
INFLUÊNCIA NO CONCRETO ................................................................................7
1.1 Mecanismo..................................................................................................7
1.2 A carbonatação e as variáveis que a influenciam........................................9
CAPÍTULO II - O EMPREGO DE POZOLANAS E OS EFEITOS NA
CARBONATAÇÃO DOS CONCRETOS DE ALTO DESEMPENHO ..................20
2.1 Introdução.................................................................................................20
2.2 Características das pozolanas....................................................................22
2.2.1 Cinza volante...................................................................................22
2.2.2 Sílica ativa........................................................................................24
2.2.3 Cinza de casca de arroz....................................................................26
2.2.4 Benefícios do emprego conjugado das pozolanas............................27
2.3 As pozolanas no CAD e a carbonatação...................................................28
CAPÍTULO III - INVESTIGAÇÃO EXPERIMENTAL ........................................39
3.1 Introdução.................................................................................................39
3.2 Variáveis envolvidas na pesquisa.............................................................40
3.3 Procedimentos e técnicas para os ensaios.................................................42
3.4 Proporcionamento das pozolanas..............................................................49
3.5 Dosagem dos concretos.............................................................................50
3.6 Ensaios de caracterização dos materiais...................................................52
3.6.1 Cimento............................................................................................52
3.6.2 Pozolanas.........................................................................................56
3.6.3 Agregados........................................................................................62
3.6.4 Aditivo.............................................................................................63
3.7 Ensaio realizado com a pasta....................................................................63
3.7.1 Teor de hidróxido de cálcio remanescente (CH)..............................63
3.8 Ensaios realizados com o concreto...........................................................64
3.8.1 Resistência à compressão axial........................................................64
3.8.2 Carbonatação acelerada e natural.....................................................64
3.8.3 Alcalinidade (pH).............................................................................64
CAPÍTULO IV - ANÁLISE DOS RESULTADOS E DISCUSSÃO.......................66
4.1 Introdução.................................................................................................66
4.2 Análise dos resultados de resistência à compressão axial.........................67
4.3 Análise dos resultados de carbonatação acelerada....................................69
4.4 Análise dos resultados do teor de hidróxido de cálcio (CH).....................72
4.5 Análise dos resultados de alcalinidade (pH).............................................75
4.6 Integração dos resultados..........................................................................77
4.6.1 Resistência à compressão versus carbonatação................................77
4.6.2 Alcalinidade versus carbonatação....................................................79
4.6.3 Desempenho das pozolanas.............................................................80
4.7 Durabilidade com vistas à carbonatação...................................................84
CONCLUSÃO ..........................................................................................................89
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................92
ANEXO A (tabelas) ...................................................................................................99
ANEXO B (figuras) .................................................................................................111
RESUMO
EFEITOS DA CINZA VOLANTE COM CINZA DE CASCA DE ARROZ OU
SÍLICA ATIVA SOBRE A CARBONATAÇÃO DO CONCRETO DE CIMENTO
PORTLAND.
Autor: Marcos Alberto Oss Vaghetti
Orientador: Prof. Dr. Geraldo Cechella Isaia
A partir do início dos anos 90, o termo CAD-Concreto de Alto Desempenho tornouse prioridade em pesquisas de ponta em diversos países, principalmente pela
necessidade do conhecimento de características de durabilidade deste material, levando
ao avanço do comportamento e vida útil das estruturas de concreto armado e protendido.
Para o CAD atuar satisfatoriamente, é necessário a utilização de pozolanas conjugadas
com o cimento Portland e um aditivo superplastificante, conferindo ao concreto
propriedades tais como coesão, trabalhabilidade, exsudação, compacidade, resistência
mecânica, durabilidade, etc.. Um aspecto da durabilidade do concreto que mais levanta
questionamentos no meio técnico é a corrosão do aço, e os dois principais agentes de
seu desencadeamento são a carbonatação e a ação de cloretos. Neste trabalho,
investigou-se a influência que teores normais e elevados de pozolanas, em misturas
binárias e ternárias, tiveram sobre a carbonatação do concreto de cimento Portland.
Foram realizados ensaios com 10 traços de concreto contendo pozolanas (cinza volante,
sílica ativa e cinza de casca de arroz) em teores de 10% a 50% de substituição do
cimento (em massa), e um traço de referência, sem adições. Os níveis de resistência
foram definidos em função das relações água/aglomerante 0,35; 0,45 e 0,55. O tempo de
cura úmida foi de 7 dias. Após, os concretos foram curados ao ar no laboratório por um
período de 28 e 91 dias da moldagem, antes da colocação dos corpos de prova na
câmara climatizada com 10% de CO2. Os ensaios executados foram carbonatação
acelerada, carbonatação natural e resistência à compressão axial. O tempo de pré-cura
ao ar dos concretos influenciou nos resultados, apresentando coeficientes de
carbonatação aos 91 dias, sendo em média, o dobro daqueles encontrados para os 28
dias. Todos os traços investigados apresentaram coeficientes de carbonatação superiores
ao concreto de cimento Portland. Em igualdade de resistência (60 MPa) e pré-cura de 28
dias, as misturas com melhor desempenho foram as binárias de cinza de casca de arroz
(25%) e cinza volante (25%), e a ternária de cinza volante e cinza de casca de arroz
(10+15)%, todas com coeficientes de carbonatação acelerada abaixo de 2,0
mm/ semana . Enquadram-se também como misturas adequadas, com coeficientes
entre 2,0 e 4,0 mm/ semana , as misturas binárias de sílica ativa (10%) e cinza volante
(50%), e a ternária de cinza volante e sílica ativa (15+10)%. Portanto, concretos
executados com estas misturas terão profundidade carbonatada inferior a 40mm em 100
anos, situando-se na faixa para concretos duráveis, com vida útil resistente aos efeitos
da carbonatação e, conseqüentemente, para a corrosão do aço. O bom desempenho da
cinza de casca de arroz e cinza volante mostraram que é possível obter-se concretos
duráveis com adição de elevados teores, não só prognosticando um futuro promissor
para a primeira pozolana, como reafirmando a possibilidade de emprego da segunda em
quantidades mais elevadas do que preconizam algumas normas ou entidades
internacionais.
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
Autor: Marcos Alberto Oss Vaghetti
Orientador: Geraldo Cechella Isaia
Título: Efeitos da cinza volante com cinza de casca de arroz ou sílica ativa sobre a
carbonatação do concreto de cimento Portland.
Dissertação de Mestrado em Engenharia Civil
Santa Maria, 22 de janeiro de 1999.
ABSTRACT
EFFECTS OF FLY ASH WITH RICE HUSK ASH
AND SILICA FUME ON CARBONATION OF PORTLAND CEMENT
CONCRETE
Author: Marcos Alberto Oss Vaghetti
Coordinator: Prof. Dr. Geraldo Cechella Isaia
Starting from the beginning of the nineties, the High Performance Concrete (HPC)
became priority in research in several countries, mainly for estimation need of its
durability characteristics related to the progress of the behavior and useful life of
reinforced and pre-stressed concrete structures. For the HPC satisfactory performance it
is necessary that pozzolans are conjugated with the Portland cement. Admixture of
superplasticizers to the concrete mixtures gives to the material such properties as
cohesion, workability, compactness, mechanical resistance and durability. An aspect of
the concrete durability rises a lot of technical questions related to the processes of the
reinforcement steel corrosion connected with the two main agents of the material
degradation: carbonation and chloride-ion penetration. This work investigates effects of
normal and high contents of pozzolans in binary and ternary mixtures on the
carbonation of the Portland cement concrete. Experiments were accomplished with 10
groups of concrete mixtures containing pozzolans (fly ash, silica fume, and rice husk
ash) with the ratio of 10% to 50% of cement substitution (in mass), and a reference
mixture without admixtures. The resistance levels were defined in function of the
water/binder ratios 0.35, 0.45 and 0.55. The initial wet cure period was 7 days, then
concrete specimens were cured in the air at the laboratory up to 28 days (for one group)
and 91 days (for the other). After these periods the specimens were placed in the
carbonation chamber with 10% of CO2. The tests involved accelerated carbonation,
natural carbonation and axial resistance compression tests. The air cure period of the
concrete specimens influenced the calculation results of the carbonation coefficient. It
was found out that the calculated coefficients for the 91-day specimens group were two
times higher than for the 28-day group. All specimens presented higher carbonation
coefficients comparing with the reference ones of Portland cement concrete. In
resistance equality (60 MPa) and for the 28-day group, the better mixtures were the
binary of rice husk ash (25%) and fly ash (25%), and the ternary of fly ash and rice husk
ash (10+15)%, all of them with accelerated carbonation coefficients below 2.0
mm/ week . It is also possible to consider as adequate other mixtures with coefficients
between 2.0 and 4.0 mm/ week of binary mixtures of silica fume (10%) and fly ash
(50%), and fly ash with silica fume (15+10)%. Therefore, it is possible predict that such
concrete mixtures will have carbonation depths lower than 40mm for 100 years. So, this
performance place these mixtures within the scope of durable concrete, with resistant
useful life to carbonation effects and, consequently, for the steel corrosion. The good
performance of rice husk ash and fly ash showed that it is possible to obtain durable
concrete with high content of pozzolans. It is also possible not only predict a promising
future for the first pozzolan, but also emphasize the possibility of employment the
second one in higher quantities than those established for some standards.
FEDERAL UNIVERSITY OF SANTA MARIA
COURSE OF MASTERS DEGREE IN CIVIL ENGINEERING
Author: Marcos Alberto Oss Vaghetti
Coordinator: Geraldo Cechella Isaia
Title: Effects of fly ash with rice husk ash and silica fume on carbonation of
Portland cement concrete
Dissertation of Master Degree in Civil Engineering
Santa Maria, January 22, 1999.
LISTA DE TABELAS
TABELA 2.1 - Coeficientes de carbonatação obtidos para as diferentes
exposições (SIRIVIVATNANON & KHATRI, 1998.......................... 35
TABELA 3.1 - Teor de reposição de CCA e volume de aglomerante. ..................... 44
TABELA 3.2 - Teores de pozolanas estudados no plano da pesquisa..................... 50
TABELA 3.3 - Características físico-mecânicas do cimento................................... 53
TABELA 3.4 - Composição granulométrica do cimento e pozolanas
(% passante)..................................................................................... 53
TABELA 3.5 - Parâmetros da curva granulométrica. ............................................ 54
TABELA 3.6 - Composição química do cimento e pozolanas (% em massa).......... 55
TABELA 3.7 - Características físicas das pozolanas. ............................................. 57
TABELA 3.8 - Atividade pozolânica com cimento – NBR 5752. ............................. 57
TABELA 3.9 - Atividade pozolânica com cimento – NBR 5753 (Fratini). .............. 58
TABELA 3.10 - Características físicas dos agregados............................................ 62
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1.1 - Efeito da relação a/c sobre o progresso da carbonatação
(MEYER,1968).................................................................................... 10
FIGURA 1.2 - Efeito da relação a/c sobre a profundidade da carbonatação
(FONTENAY, 1985). .......................................................................... 10
FIGURA 1.3 - Profundidade de carbonatação após 6 anos de exposição em ambiente
com 20oC e 50% UR (SKJOLSVOLD,1986). ..................................... 11
FIGURA 1.4 - Porosidade das pastas carbonatadas (HOUST, 1997)..................... 12
FIGURA 1.5 - Porosidade das pastas não carbonatadas (HOUST, 1997).............. 12
FIGURA 1.6 - Profundidade de carbonatação aos 18 meses para os 17 tipos de
cimento testados e para as 3 idades de cura úmida (1, 3 e 28 dias)
(PARROT, 1996)................................................................................. 17
FIGURA 1.7 - Efeito da relação a/c e duração da cura úmida sobre a profundidade de
carbonatação dos concretos nos seguintes ambientes: (a) em ambiente
quente-seco com carbonatação acelerada (30ºC e 40% UR) e (b) por 5
anos em ambiente marinho (quente e úmido) no leste
do mar Mediterrâneo (Israel) (BENTUR, DIAMOND & BERKE, 1997).
............................................................................................................ 19
FIGURA 2.1 - Níveis de pH para os quatro conjuntos de argamassa e teores de CV
(GOÑI et al., 1997)............................................................................. 32
FIGURA 2.2 - Porosidade total para os quatro conjuntos de argamassa e teores de CV
(GOÑI et al., 1997)............................................................................. 33
FIGURA 2.3 - Coeficientes de carbonatação para os concretos de referência e com
CV. (SIRIVIVATNANON & KHATRI, 1998)...................................... 34
FIGURA 3.1 - Esquema de cura para o ensaio de carbonatação acelerada........... 46
FIGURA 3.2 - Câmara de carbonatação fechada.................................................... 47
FIGURA 3.3 - Câmara de carbonatação aberta. .................................................... 47
FIGURA 3.4 - Cinza Volante (25%)-17 semanas e relação a/ag = 0,55................. 48
FIGURA 3.5- Cinza Volante (50%)-17 semanas e relação a/ag = 0,55................. 49
FIGURA 3.6- Distribuição granulométrica do cimento e pozolanas....................... 54
FIGURA 3.7 - Difratograma de raios X do cimento. ............................................... 56
FIGURA 3.8 - Diagrama de pozolanicidade, ilustrando o teor de CaO em função da
alcalinidade total................................................................................ 59
FIGURA 3.9 - Atividade pozolânica (Fratini) – mmol CaO consumido. ................. 60
FIGURA 3.10 - Difratogramas de raios X das pozolanas........................................ 61
FIGURA 3.11 - Composição granulométrica dos agregados. ................................. 63
FIGURA 4.1 - Correlação entre resistência à compressão a 91 dias e relação a/ag
para as misturas investigadas. ........................................................... 68
FIGURA 4.2 - Correlação entre resistência à compressão a 28 dias e relação a/ag
para as misturas investigadas. ........................................................... 68
FIGURA 4.3 - Profundidade carbonatada das 11 misturas investigadas na idade de 28
e 91 dias de pré-cura ao ar, para relação a/ag = 0,45...................... 70
FIGURA 4.4 - Relação entre coeficiente de carbonatação com o tipo e teor de
pozolana, para resistência de 60 MPa................................................. 72
FIGURA 4.5 - Conteúdo de CH remanescente em pasta não carbonatada aos 91 dias
de idade para todas as misturas......................................................... 73
FIGURA 4.6 - Correlação entre coeficiente de carbonatação e teor de hidróxido
de cálcio da pasta não carbonatada aos 91 dias, para fc= 60 MPa. 74
FIGURA 4.7 - Relação entre a alcalinidade (pH) e a idade de permanência na câmara
acelerada, para a cura aos 91 dias e fc=60 MPa.............................. 76
FIGURA 4.8- Evolução do kc com a resistência à compressão axial para as idades de
28 e 91 dias de pré-cura ao ar dos concretos. ................................... 78
FIGURA 4.9- Relação linear existente entre os coeficientes de carbonatação (kc) e
alcalinidade (kpH).............................................................................. 80
FIGURA 4.10 - Desempenho das misturas em relação a carbonatação acelerada na
idade de cura dos 28 dias e resistência de 60 MPa. .......................... 81
FIGURA 4.11 - Desempenho das misturas em relação a carbonatação acelerada na
idade de cura dos 91 dias e resistência de 60 MPa. .......................... 83
FIGURA 4.12 - Relação entre o teor de pozolanas e o coeficiente de cabonatação
acelerada na idade de cura dos 28 dias e resistência de 60 MPa. .... 87
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
a/ag - Relação água/aglomerante (cimento + pozolana), em massa
a/c - Relação água/cimento, em massa
AA - Concreto com teor elevado de cinza de casca de arroz (50%)
ABCP - Associação Brasileira de Cimento Portland
Al2O3 - Óxido de Alumínio
AN - Concreto com teor normal de cinza de casca de arroz (25%)
ARI - Cimento Portland de alta resistência inicial
C2S - Silicato bicálcico
C2S - Silicato bicálcico
C3A - Aluminato tricálcico
C3S - Silicato tricálcico
C3S - Silicato tricálcico
C4AF - Ferroaluminato tetracálcico
CA - Concreto com teor elevado de cinza volante (50%)
Ca+2- Íons cálcio
CAA - Concreto com teor elevado de cinza volante (20%) e cinza casca de arroz(30%)
CaCO3 – Carbonato de cálcio
CAD - Concreto de Alto Desempenho
CAN - Concreto com teor normal de cinza volante (10%) e cinza casca de arroz (15%)
CaO - Óxido de cálcio
CaSO4 – Sulfato de cálcio
CCA - Cinza de casca de arroz
CH - Hidróxido de cálcio (Ca(OH)2)
Cim - Cimento
Cl-/OH- - Relação iônica entre cloretos e hidroxilas
CMA - Concreto com teor elevado de cinza volante (30%) e sílica ativa (20%)
CMN - Concreto com teor normal de cinza volante (15%) e sílica ativa (10%)
CN - Concreto com teor normal de cinza volante (25%)
CO2 - Anidrido carbônico ou dióxido de carbono
CP - Cimento Portland
CPE - Concreto com cimento Portland mais escória de alto forno
CPSA - Concreto com cimento Portland mais sílica ativa
C-S-H - Silicatos de cálcio hidratados
CV - Cinza volante
dr - Desvio relativo médio
fc - Resistência à compressão, em MPa
Fe2O3 - Óxido de Ferro
IAP - Índice de atividade pozolânica
K - Coeficiente de carbonatação em mm/ ano
K+ - Íons potássio
K2O – Óxido de potássio
kc - Coeficiente de carbonatação
KOH - Hidróxido de potássio
kpH - Coeficiente de alcalinidade
MA - Concreto com teor elevado de sílica ativa (20%)
MgO - Óxido de magnésio
MN - Concreto com teor normal de sílica ativa (10%)
H- Molécula de água (H2O)
Na+ - Íons sódio
Na2O – Óxido de sódio
NaOH - Hidróxido de sódio
OH- - Íon oxidrila ou hidroxila
pH - Potencial de hidrogênio ou hidrogeniônico
r - Coeficiente de correlação
s - Segundos
SA - Sílica ativa
sem - Semanas
Si+4 - Íons silício
SiO - Óxido de silício
SiO2 - Dióxido de silício
SO2 - Dióxido de enxofre
t - Tempo de exposição ao CO2 em ano
Tar - Temperatura do ar durante a moldagem dos corpos de prova
Tc - Temperatura do concreto fresco ao final da mistura
TR - Traço de referência
UR - Umidade relativa do ar, em %
x - Profundidade de carbonatação em mm
φm - Diâmetro médio
LISTA DE ANEXOS
ANEXO A
TABELA 1A - Sequência de moldagem. ................................................................ 100
TABELA 2A - Quantidade de materiais por m3 de concreto................................. 101
TABELA 3A - Características do concreto fresco................................................. 102
TABELA 4A - Determinação do hidróxido de cálcio livre pelo EtilenoglicolNBR 7227. ....................................................................................... 103
TABELA 5A – Teor de hidróxido de cálcio (CH) remanescente da pasta nãocarbonatada para a idade de pré-cura ao ar de 91 dias e resistência de
60 MPa. .......................................................................................... 104
TABELA 6A - Compressão axial aos 7, 28, 91 e 182 dias. ................................... 105
TABELA 7A - Carbonatação acelerada e natural. .............................................. 106
TABELA 8A- Coeficientes de carbonatação acelerada calculados a partir das
profundidades de carbonatação e do tempo de exposição ao CO2, para
idade de pré-cura ao ar de 28 dias e resistências de 50, 60 e 70 MPa.
......................................................................................................... 107
TABELA 9A - Coeficientes de carbonatação acelerada calculados a partir das
profundidades de carbonatação e do tempo de exposição ao CO2, para
a idade de pré-cura ao ar de 91 dias e resistências de 50, 60 e 70 MPa.
........................................................................................................ 108
TABELA 10A - Coeficientes de alcalinidade (kpH) calculados a partir da
alcalinidade (pH) do concreto aos 91 dias. ................................... 109
TABELA 11A - Coeficientes de alcalinidade (kpH) para idade de pré-cura ao ar de 91
dias e resistência de 60 MPa. ..................................................... 110
ANEXO B
FIGURA 1B- Correlação entre a resistência à compressão aos 7 dias e a relação a/ag
para as misturas investigadas. ......................................................... 112
FIGURA 2B- Correlação entre a resistência à compressão aos 182 dias e a relação
a/ag para as misturas investigadas. 113
INTRODUÇÃO
O concreto é um material que, devido a sua composição heterogênea, necessita de
estudos e pesquisas avançadas que o façam melhorar o seu desempenho,
principalmente frente a um mercado exigente quanto à capacidade de melhor
resistir a ambientes agressivos e também à importância de se obter resistências
mecânicas elevadas, contribuindo para estruturas de maior porte.
Nos últimos oito anos, com o avanço das pesquisas na tecnologia do concreto,
surgiu a denominação CAD (concreto de alto desempenho), que vem a ser um
material com menor permeabilidade e maior resistência aos agentes agressivos,
resultando em uma maior durabilidade quando comparado aos concretos
convencionais.
Neste aspecto, NEVILLE (1997, p.662) ressalta que “os concretos de alto
desempenho não são materiais revolucionários, nem contêm materiais não usados
nos concretos usuais, mas são, antes de mais nada, uma evolução destes”.
Na produção desse concreto, utilizam-se normalmente agregados de boa
qualidade, com granulometria adequada; o cimento é o Portland comum, podendo
ser usado o cimento de alta resistência inicial (ARI); o emprego de pozolanas ou
escória de alto forno em proporções definidas em substituição ao cimento é
essencial para a obtenção das características desejáveis; e, por fim, o uso de um
superplastificante é quase sempre imprescindível para se conseguir uma relação
água/aglomerante baixa, com boa trabalhabilidade do concreto.
O emprego de adições pozolânicas aumentou consideravelmente nos
últimos tempos, proporcionando não só a diminuição dos custos e aumento da
resistência mecânica, mas principalmente o incremento de durabilidade nas
estruturas de concreto.
Entre as adições utilizadas nos concretos de alto desempenho, pode-se
citar a escória granulada de alto forno, a sílica ativa, a cinza volante e, com
emprego ainda bastante reduzido, a cinza de casca de arroz.
A escória granulada de alto forno é obtida pelo resfriamento brusco com
água ou uma combinação água-ar da escória líquida a alta temperatura na
produção do ferro fundido ou ferro gusa em indústrias siderúrgicas. Apresenta boa
reatividade nos primeiros períodos, com desenvolvimento da resistência já aos 7
dias de hidratação.
Este rejeito industrial poluidor é muito utilizado na mistura ao clínquer
Portland para obtenção do cimento Portland de alto forno e confere ao concreto
maior resistência à difusão de íons cloretos, sulfato e álcalis, contribuindo também
para proteção ao ataque químico e ação do gelo.
A sílica ativa, por sua vez, é uma das pozolanas mais consumidas em
concretos de alto desempenho em todo o mundo, principalmente pelas suas
características físicas e químicas adequadas quando em contato com as partículas
de cimento Portland.
Essa pozolana é um subproduto dos fornos das indústrias de silício
metálico e ligas ferro-silício. Sua contribuição para o concreto, entre outras,
consiste na alta reatividade nas primeiras idades de 1 a 3 dias, induzindo a um
aumento nas resistências mecânicas iniciais e também nas finais.
Como é um subproduto industrializado, sendo seu custo unitário elevado,
a sílica ativa torna-se relativamente onerosa quando utilizada em altos teores e
combinada somente com o cimento Portland.
Por isso, seu melhor
aproveitamento ainda ocorre quando conjugada com outra pozolana, a cinza
volante, em misturas ternárias no concreto.
Esse efeito favorável é observado devido à alta reatividade da sílica ativa
nos períodos iniciais combinados com os benefícios que a cinza volante apresenta
sobre a reologia do concreto fresco, melhorando as características como coesão e
viscosidade, além do fato de essa última pozolana adquirir melhores resultados em
idades avançadas, principalmente com relação à resistência à compressão.
A cinza volante é obtida pela combustão do carvão mineral em usinas
termoelétricas. Quando apresenta finura adequada, sua reatividade é boa,
proporcionando influência considerável na trabalhabilidade e na velocidade de
desenvolvimento da resistência do concreto endurecido.
A cinza de casca de arroz, utilizada no CAD ainda em pequena escala, é
outra pozolana com excelentes qualidades. Ela é obtida através da queima da
casca de arroz a céu aberto ou pela combustão não controlada em fornos
industriais.
Entre os tipos de adições mencionadas, três fazem parte do trabalho
experimental: a sílica ativa, a cinza volante e a cinza de casca de arroz. Dessas, as
duas últimas são abundantes no Brasil, principalmente na Região Sul. O aumento
do seu emprego nos concretos traz grandes benefícios ecológicos, além de
representar muitas vantagens técnico-econômicas.
Os efeitos das adições minerais no concreto são relatados por
pesquisadores em todo o mundo, como o refinamento do tamanho dos poros entre
as partículas, a diminuição do fenômeno da exsudação, pela segmentação dos
canais de fluxo d′água, a melhora nas propriedades reológicas do concreto fresco,
como coesão e trabalhabilidade, e, principalmente, o efeito filler causado pela
presença física da adição, responsável diretamente no incremento da resistência à
compressão.
Por outro lado, com a crescente quantidade de cinza volante e cinza de
casca de arroz produzidas atualmente, crescem também os problemas ambientais,
pois estas cinzas, quando não aproveitadas pelas indústrias cimenteiras, como é o
caso da cinza volante, são lançadas indiscriminadamente na superfície do solo,
vindo a ocasionar poluição, principalmente quando dispostas nas margens dos
cursos d’água, áreas urbanas ou rurais.
Usando-se uma tecnologia adequada, pode-se fazer com que as cinzas,
em vez de causarem um desequilíbrio na natureza, sejam utilizadas para os mais
diversos fins, inclusive como substituição de parte do cimento para a fabricação
de concreto.
Fortes argumentos induzem ao aproveitamento dessas cinzas no concreto,
principalmente na Região Sul, onde se tem abundância desse material. O Rio
Grande do Sul é detentor de aproximadamente 90% das reservas nacionais de
carvão mineral (cerca de 28 bilhões de toneladas de carvão) e conta também com
42,4% da produção nacional de arroz (aproximadamente 3.609.100 t/ano fonte:IRGA,safra 97/98), sem que ainda tenha sido encontrada uma solução para o
problema da casca.
Como afirmam MEHTA e FOLLIARD (1995), à medida que a demanda
por um concreto mais durável aumenta, as nações estão se dando conta,
finalmente, do grande potencial dos materiais cimentantes suplementares. Com a
grande quantidade de arroz cultivada na maioria dos países do mundo, a cinza de
casca de arroz pode estar disponível em quantidades suficientes para satisfazer as
necessidades de uma mistura mineral de alta qualidade.
Portanto, a utilização nos ensaios das três pozolanas mencionadas, em
especial as cinzas provenientes dos recursos minerais disponíveis, contribuem no
sentido de procurar o aproveitamento dos rejeitos prejudiciais ao ambiente natural
e que certamente, pelas suas características, tanto atuando isoladamente ou em
conjunto, são importantes para o comportamento satisfatório do concreto de alto
desempenho.
Nesta pesquisa, a influência das pozolanas na microestrutura dos
concretos foi investigada principalmente com respeito à carbonatação. A
carbonatação é um fenômeno físico-químico decorrente da reação entre os
constituintes ácidos do meio ambiente com o líquido intersticial existente nos
poros do concreto, que se encontra saturado por hidróxido de cálcio (CH)
proveniente da hidratação do cimento. O processo ocorre por difusão gasosa do
CO2 (existente na atmosfera) na fase aquosa dos poros do concreto e pela posterior
reação química do CO2 dissolvido com o hidróxido de cálcio, formando os
carbonatos e água.
Esse mecanismo resulta na diminuição da alcalinidade da solução dos
poros do concreto, propiciando a despassivação do aço e a possibilidade de
desenvolvimento da corrosão.
A carbonatação do concreto é um fenômeno complexo, que depende de
muitas variáveis, como a finura, a natureza e a dosagem de cimento ou adições
minerais; o fator a/ag; a duração e as condições de cura, principalmente no que
tange à temperatura, à umidade e à concentração de CO2 no ar; a porosidade, a
permeabilidade e a compacidade da pasta de cimento endurecida; a resistência à
compressão e também a presença de fissuras no concreto.
Então, devido à complexidade que envolve, esse mecanismo é de grande
importância para regular a durabilidade das estruturas, o que torna relevante seu
estudo nesta pesquisa. Além disso, o fato de se adicionar pozolanas ao concreto
traz um novo horizonte de investigação, permeando na busca de quais as misturas
mais adequadas que proporcionam um melhor desempenho do material frente à
carbonatação.
Neste estudo, procura-se investigar a influência que a substituição de
parte do cimento por alguns tipos de pozolanas, como a cinza volante, a sílica
ativa e a cinza de casca de arroz, exercem sobre a carbonatação do concreto.
Como propósito social, objetiva-se incrementar o emprego de
subprodutos industriais poluentes da natureza, representados pelas três pozolanas
escolhidas, numa categoria de material que está sendo cada vez mais utilizado em
obras de construção civil.
Portanto, o problema que motivou a realização deste estudo constitui-se
no seguinte: Qual é a influência que teores normais e elevados de pozolanas, em
misturas binárias e ternárias, terão sobre a carbonatação do concreto de cimento
Portland?
Decorrentes deste problema e como objetivos específicos do trabalho,
foram analisados outros aspectos importantes, como a influência que o período de
pré-cura ao ar do concreto tem sobre a carbonatação, a evolução do coeficiente de
carbonatação quando se adicionam elevados teores de pozolanas e também as
possíveis relações entre a alcalinidade, o teor de hidróxido de cálcio remanescente
e a carbonatação dos concretos.
A dissertação está estruturada em quatro capítulos. O primeiro e o
segundo capítulo foram construídos a partir de pesquisa bibliográfica sobre a
temática investigada. O terceiro capítulo constitui-se no relato da fase
experimental. E, por último, o quarto capítulo contém as análises e discussões dos
resultados alcançados.
O capítulo I aborda o fenômeno da carbonatação dos concretos, como
acontece o seu mecanismo de deterioração e os fatores que o influenciam.
No capítulo II, sobre o emprego das pozolanas no CAD e os efeitos na
carbonatação, são relatadas as principais características das pozolanas estudadas,
bem como algumas pesquisas referentes ao assunto.
A descrição experimental está contida no capítulo III, através da
metodologia adotada, como a definição dos objetivos a serem alcançados, dos
materiais utilizados, das variáveis envolvidas, dos ensaios executados e seus
resultados.
O capítulo IV envolve a análise dos resultados dos ensaios realizados para
implementar os objetivos propostos, bem como uma discussão com outros estudos
relacionados com a carbonatação dos concretos.
Por fim, na conclusão, foram respondidos os questionamentos elaborados
para a dissertação, como a influência dos períodos de pré-cura ao ar dos concretos,
as misturas com melhor desempenho encontradas e a relação entre os ensaios
desenvolvidos.
CAPÍTULO I – O MECANISMO DA CARBONATAÇÃO E SUA
INFLUÊNCIA NO CONCRETO
1.1 O Mecanismo
O fenômeno da carbonatação acontece naturalmente nas estruturas de
concreto, exigindo apenas uma certa concentração de CO2 no ar ambiente e uma
variação de umidade.
Embora progrida lentamente no interior da estrutura, a partir de sua superfície, a
carbonatação, ao longo dos anos, contribui decisivamente para o rebaixamento do
pH e a despassivação da armadura, ocasionando o processo de corrosão da
mesma.
Sabe-se que a maior concentração de CO2 no ar favorece o incremento da
taxa de carbonatação. Em ambientes urbanos, com tráfego intenso, a concentração
em volume de CO2 no ar pode variar entre 0,1 e 1,2%, propiciando, na presença
de umidade, uma maior difusão desse gás nos poros e capilares do concreto.
Segundo HELENE (1993,p.99-100),
A penetração do gás carbônico no concreto dá-se preponderantemente
por
um mecanismo de difusão. (...) Portanto na maioria dos casos
trata-se de gradientes de concentração de CO2. Influirá a concentração
de CO2 no ambiente externo, junto à estrutura, comparativamente à
concentração de CO2 nos poros capilares do concreto de cobrimento das
armaduras.
Pode-se afirmar que, em poros saturados de água, o processo de carbonatação
quase não ocorre, devido à baixa difusão do CO2, ao passo que, em poros
excessivamente secos, o gás penetra facilmente, mas faltará água para que a
reação ocorra.
Por isso, em ambientes sujeitos a intempéries freqüentes, como chuva e sol
intenso, a carbonatação da superfície do concreto é lenta ou praticamente nula.
Por outro lado, em locais protegidos, onde a umidade se mantém na faixa entre 50
e 80%, a velocidade de avanço da frente de carbonatação é alta, contribuindo para
a deterioração do concreto num prazo mais curto.
A principal reação que caracteriza o fenômeno da carbonatação é a seguinte:
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O
O hidróxido de cálcio (Ca(OH)2), liberado das reações de hidratação do
cimento, reage com o gás carbônico (CO2) ou outros gases ácidos, como o gás
sulfídrico (H2S) ou dióxido de enxofre (SO2), formando os carbonatos (CaCO3) ou
sulfatos (CaSO4) e água.
Outros compostos formados na hidratação do cimento também são suscetíveis ao
processo, como o hidróxido de potássio (KOH) e o hidróxido de sódio (NaOH).
Conforme afirma HELENE (1993, p.99),
O hidróxido de cálcio Ca(OH)2 é menos solúvel que outros álcalis do cimento, o
hidróxido de sódio NaOH, e o hidróxido de potássio KOH. Dessa
forma o hidróxido de cálcio encontra-se, na solução presente nos
poros do concreto, normalmente na forma de cristais enquanto os
outros estão dissolvidos na forma de íons. Como a solubilidade do
Ca(OH)2 depende da concentração de OH- na solução intersticial,
a reação de carbonatação começa através dos álcalis NaOH e
KOH passando a seguir ao Ca(OH)2.
Observa-se, assim, que as reações de carbonatação são muito complexas,
prevalecendo a reação principal, onde um composto cristalino Ca(OH)2 é
transformado em outro também cristalino CaCO3. Outras reações também
ocorrrem, mas menos importantes, onde se verificam a formação de compostos
perfeitamente cristalinos como o Al2O3 e Fe2O3.
O concreto, quando endurecido, possui uma elevada alcalinidade (pH entre 12
e 14), devido principalmente aos íons OH-, Ca++, K+, Na+ presentes na solução
intersticial dos poros do material. Como sustenta KAZMIERCZAK (1993) “Neste
pH e na presença de oxigênio, o aço se recobre de uma capa de óxidos muito
aderente, que lhe protege da corrosão”.
Enquanto a armadura não for despassivada pela remoção desta camada de
óxidos, o processo de corrosão não se inicia. Entretanto, pela ação de íons cloreto
ou da carbonatação, os dois principais agentes desencadeantes da corrosão, esse
ambiente de estabilidade química do concreto é modificado, alterando o pH de
12,5 para 8,3, segundo pesquisa de PAPADAKIS, FARDIS & VAYENDAS
(1990).
Com esse pH baixo e na presença de oxigênio e uma certa umidade, ocorre a
deflagração do fenômeno da corrosão do aço no interior do concreto.
Neste contexto, o fator preponderante para a durabilidade do concreto
consiste em tentar minimizar os efeitos da carbonatação, utilizando na
especificação dos projetos um cobrimento adequado das armaduras para cada caso
e também uma boa qualidade deste material, que garanta ao longo da sua vida útil
uma importante proteção contra os agentes agressivos.
1.2 A carbonatação e as variáveis que a influenciam
A carbonatação é um dos principais agentes de deterioração das estruturas de
concreto, junto com a ação dos íons cloretos. Estes agentes não são prejudiciais ao
concreto em si, mas especialmente na corrosão da armadura que está dentro dele.
Existem, portanto, fatores que afetam preponderantemente o concreto, como a
lixiviação, a expansão ocasionada pela reação álcali-agregado e por ação dos
sulfatos, bem como fatores que atacam preponderantemente a armadura,
despassivando-a, como é o caso da carbonatação e dos cloretos.
O fenômeno da carbonatação dos concretos é muito complexo, pois muitas
variáveis físico-químicas se inter-relacionam e determinam um processo de maior
ou menor intensidade de avanço da frente carbonatada.
Essas variáveis são pesquisadas há várias décadas, contribuindo para melhor
interpretação do fenômeno na microestrutura do concreto, auxiliando também na
busca de novas misturas e adições que aumentem a durabilidade e a vida útil das
estruturas.
Abaixo, estão relacionadas algumas das variáveis mais importantes que
influenciam na carbonatação, que são:
a) a finura, a natureza e a dosagem de cimento ou adições minerais;
b) o fator a/c ou a/ag;
c) a porosidade;
d) a permeabilidade;
e) a duração e as condições de cura;
f) a resistência à compressão axial.
Relatos de várias pesquisas indicam que a taxa de carbonatação é fortemente
influenciada pelo fator a/ag. Em geral, a redução desta relação reduz
significativamente a medida da profundidade de carbonatação. Esta diminuição no
fator a/c ou a/ag implica também a diminuição da porosidade e permeabilidade do
concreto.
Estudos
como
os
de
MEYER
(1968),
FONTENAY
(1985)
e
SKJOLSVOLD(1986) mostraram a influência marcante do fator a/c ou a/ag na
medida da profundidade de carbonatação conforme observa-se nas figuras 1.1, 1.2
e 1.3 abaixo.
FIGURA 1.1- Efeito da relação a/c sobre o progresso da carbonatação.
.
(MEYER,1968).
FIGURA 1.2- Efeito da relação a/c sobre a profundidade da carbonatação.
.
(FONTENAY, 1985)
FIGURA 1.3-
Profundidade de carbonatação após 6 anos de exposição em
ambiente com 20oC e 50% UR (SKJOLSVOLD,1986).
Nestes gráficos verifica-se, para diversas condições de exposição e idades dos
ensaios, a forte relação linear existente entre a profundidade de carbonatação e a
relação a/c, indicando assim que o controle do tamanho dos poros é muito
importante para regular o aumento ou a diminuição da frente de carbonatação.
Em pesquisa recente, HOUST (1997) estudou as variações microestruturais
da pasta de cimento hidratada
devido à carbonatação, com vistas a melhor
compreender os efeitos sobre a porosidade do material. A modificação na
microestrutura da pasta, nessa pesquisa, foi medida através do ensaio de
porosimetria por intrusão de mercúrio. Foram testadas amostras de pasta de
cimento Portland, com relações a/c de 0,3 até 0,8. Os corpos de prova
permaneceram durante seis meses submersos em água com cal para uma perfeita
hidratação. Após a cura, as amostras foram submetidas à carbonatação acelerada,
com atmosfera de 80% a 90% de CO2 e umidade relativa de 76% até uma
completa carbonatação.Os resultados desse estudo, com relação à porosidade da
pasta, encontram-se nas figuras 1.4 e 1.5 a seguir, tanto para as amostras
carbonatadas quanto para as não-carbonatadas.
FIGURA 1.4- Porosidade das pastas carbonatadas (HOUST,1997)
A interpretação dos resultados de HOUST(1997) indica que a porosidade é
significativamente reduzida. Esta redução é maior para relações a/c mais baixas.
Todos os poros da pasta com relação a/c=0,4 são afetados pela carbonatação, mas
em particular aqueles com diâmetros abaixo de 0,1 µm. A alta porosidade da pasta
com a/c=0,8 mostra um aumento da quantidade de poros com diâmetros entre
0,04µm e 2µm, e também uma diminuição dos poros finos. A carbonatação
acelerada das pastas, conclui o autor, conduz a grandes modificações no sistema
de poros. Todos os tamanhos de poros são afetados pela carbonatação nas pastas
de relações a/c ≤ 0,5, mas é particularmente os poros com diâmetros < 0,1µm que
são reduzidos.
Em pesquisa recente, GASTALDINI et al. (1996) investigou a influência das
adições minerais na porosidade das pastas de cimento Portland. Foram estudadas
várias misturas de cimento Portland (ARI) com cinza volante, cinza de casca de
arroz, escória granulada de alto forno e sílica ativa, em misturas binárias e
ternárias. A porosidade total e o diâmetro médio dos poros foram determinados
em amostras de pasta com relação a/ag igual a 0,48 e curados por 7 e 28 dias.
Constatou-se, através dos resultados dessa pesquisa, que houve modificação na
microestrutura das pastas com pozolanas, com aumento no volume de poros de gel
e diminuição no volume de poros capilares, ou seja, um refinamento dos poros,
além da redução na porosidade total, contribuindo para uma menor
permeabilidade, uma vez que restringe os movimentos da água, íons e gases para
o interior do concreto.
Este comportamento microestrutural ratifica o efeito benéfico das pozolanas no
concreto, diminuindo o tamanho dos poros, conjuntamente com um aumento na
quantidade de poros mais finos. Com isso, melhoram as propriedades como
permeabilidade e exsudação, implicando o aumento da durabilidade do concreto.
Numa contribuição importante para o estudo da carbonatação em pastas
hidratadas, PARIS (1973) aponta como fatores que influenciam na velocidade
deste fenômeno a natureza, a finura e a dosagem do cimento ou adições.Em seu
trabalho, investigou a carbonatação das pastas hidratadas dentro de uma
interpretação físico-química.
Hamada apud PARIS (1973) constatou, através dos ensaios, que a natureza dos
aglomerantes influencia na carbonatação, citando por ordem os que são mais
resistentes ao fenômeno: o cimento Portland de alta resistência inicial (ARI), o
cimento Portland comum, os cimentos que contêm escórias e, por fim, os
pozolânicos. Em geral, afirma que os aglomerantes compostos se carbonatam
mais rapidamente que os Portland simples.
Com relação à finura do aglomerante, o trabalho de Venuat apud PARIS (1973)
mostrou ser nula a influência da finura na velocidade de carbonatação durante o
primeiro ano. Posteriormente, a carbonatação é tanto mais rápida quanto menor a
finura. Mas, para efeitos práticos, as variações são tão pequenas que podem ser
consideradas nulas. Também segundo esse autor, na dosagem do cimento ou
adições, a velocidade diminui à medida que a proporção de cimento ou adições
aumenta. Qualquer ação que tende a diminuir a porosidade freia o processo de
carbonatação.
Nota-se, através dessas pesquisas, a importância do controle da natureza, da finura
e da dosagem do cimento ou adições, pois regulam as variações na microestrutura
do concreto, e, por sua vez, as propriedades que influenciam na durabilidade, em
especial a carbonatação.
A difusividade do CO2 na pasta de cimento hidratada é um fator que regula a
carbonatação. Ela é função da distribuição dos poros no momento em que ocorre a
difusão do CO2 na pasta. O sistema de poros da pasta, portanto, é influenciado
pelo grau de hidratação, pela relação a/ag e também pelo tipo de cimento.
Essas variáveis, por sua vez, modificam a microestrutura da pasta de cimento
e influenciam na resistência à compressão do concreto.
Segundo NEVILLE (1997, p.498), “Esses fatores influenciam a resistência do
concreto qualquer que seja a pasta de cimento que ele contenha. Por essa razão,
muitas vezes se diz que a carbonatação é função da resistência do concreto”. Mas,
conforme este autor, essa abordagem “... é uma simplificação inadequada,
embora, no final, seja verdade”. Principalmente porque a resistência obtida nos
ensaios de laboratório não reflete a mesma realidade que os concretos em obra,
quando expostos ao CO2.
Entretanto, é evidente que essa profundidade de carbonatação irá sofrer
variações substanciais, conforme o local de exposição da peça de concreto, das
condições de cura e também do tipo e proporção de cimento ou adições minerais
deste concreto.
A permeabilidade do concreto é outro fator que influencia na carbonatação,
pois a maior ou menor difusão dos gases dentro dos poros capilares implica
aumento ou diminuição na velocidade da reação principal deste fenômeno.
Esta permeabilidade está vinculada a fatores inerentes ao próprio material,
como as características físico-químicas do aglomerante e dos agregados, a relação
a/c ou a/ag, o conteúdo de cimento no traço, etc.. Também pode estar relacionada
com fatores ambientais, tais como ambientes com gases agressivos, umidade
relativa e temperatura no local de exposição e ações de congelamento do concreto.
E, por fim, a fatores tecnológicos, como a própria execução do concreto:
transporte, lançamento e cura.
Com isso, torna-se difícil a adequação de modelos ou regras definidas que
permitam diminuir a permeabilidade do concreto com vistas a sua durabilidade.
Entretanto, é necessário conhecer os diversos elementos que alteram a
microestrutura do material e influenciam na permeabilidade, e esta, por sua vez,
na carbonatação.
Estudo realizado por COSTA, FACOETTI & MASSAZZA (1992) sobre a
permeabilidade e difusão de gases em concreto mostra que os coeficientes de
fluxo de gás são altamente dependentes da relação a/c, conteúdo de cimento,
tempo de cura e também das resistências desenvolvidas pelos concretos. Nessa
pesquisa utilizaram-se concretos com cinza volante, concretos com pozolana
natural, concretos com escória de alto forno e concretos com cimento Portland. Os
tipos de cimentos testados, relatam os autores, não tiveram influência direta na
permeabilidade dos concretos, mas sim indireta e dependente da resistência à
compressão. A redução na permeabilidade dos concretos torna-se mais
significativa quando há uma diminuição na relação a/c, um conteúdo de cimento
adequado e uma idade de cura prolongada, concluem os pesquisadores.
Sabe-se que a área próxima à superfície do concreto promove uma proteção
tanto física quanto química para o ingresso de agentes agressivos no seu interior,
como líquidos e gases do ambiente. Esta proteção, no entanto, está relacionada
diretamente com as características de permeabilidade do concreto, influindo ou
não sobre a resistência à carbonatação.
O trabalho de DHIR, HEWLETT & CHAN (1989) teve o propósito de
investigar a praticabilidade de usar a permeabilidade intrínseca para predizer a
resistência potencial do concreto à carbonatação. Como conclusões, eles salientam
que a profundidade de carbonatação pode ser relacionada com a permeabilidade
intrínseca, e o teste de índice de ar de FIGG, com equipamento portátil, barato e
simples de operar, pode ser utilizado para prognosticar diretamente a resistência
potencial do concreto à carbonatação.
Outra variável importante que influencia na carbonatação é a cura do
concreto. Muitos estudos relatam a necessidade de uma boa cura para minimizar
os efeitos do CO2 sobre a superfície deste material.
Pesquisa como a de HOBBS (1988) mostra a influência da cura sobre a
profundidade de carbonatação em concretos contendo 35% de cinza volante em
substituição ao cimento Portland. Foram testadas três condições de exposição:
uma internamente, no laboratório, com umidade e temperatura controladas (65% e
20ºC); outra externamente, sob cobertura, e uma terceira embaixo d′água a 20ºC.
A cura úmida para todos os concretos foi de 24 horas. Após 3 anos, a
profundidade de carbonatação dos concretos depositados internamente foi de 1,5 a
2,0 vezes maior do que aqueles depositados externamente. Entre as conclusões da
pesquisa consta que os concretos contendo cinza volante apresentaram
carbonatação similar ou ligeiramente maior que o concreto de referência, em
igualdade de resistência aos 28 dias. Entretanto, fazendo a comparação em
igualdade de relação a/ag ou conteúdo de aglomerante, a profundidade de
carbonatação foi significantemente maior para os concretos com cinza volante.
Pelo experimento relatado acima, observa-se que o concreto sofre influência
marcante do tipo de ambiente ao qual ele é exposto. Quando está sujeito a
intempéries, ou seja, próximo à saturação devido a chuvas prolongadas ou faces
muito secas pela estiagem, a carbonatação quase não ocorre ou progride muito
lentamente através da superfície do concreto. Entretanto, em locais protegidos e
úmidos, ela se desenvolve com maior velocidade, pois encontra condições
favoráveis para a difusão do CO2 nos poros, como a umidade relativa entre 50 e
80% e temperatura praticamente constante.
Também com relação às condições de exposição, a pesquisa de BARKER &
MATTHEWS (1994) relata que concretos armazenados em locais fechados
(ambiente de laboratório à 20°C e 65% UR) carbonataram mais que os
armazenados ao ar livre (expostos ao tempo, mas protegidos), sendo que estes
apresentaram redução de 40% na profundidade de carbonatação quando
comparados aos concretos em recinto fechado. Quanto ao período de cura úmida,
eles verificaram que, aumentando este de 1 para 3 dias, a profundidade
carbonatada reduz-se ao redor de 15%. Foram testadas duas séries de concretos
com diferentes tipos de cimentos. Os concretos permaneceram nos moldes por 24
horas após a moldagem. Para a cura úmida por 3 dias, os prismas de 75x75x200
mm foram colocados em sacos plásticos umidecidos sob uma temperatura de
20°C. Através da boa correlação entre a profundidade de carbonatação na idade de
1 ano e as resistências à compressão aos 28 dias para ambas as séries ensaiadas, os
autores concluíram que a resistência à compressão é um parâmetro mais fidedigno
que a relação a/c para predizer a espessura carbonatada dos concretos,
principalmente quando são analisados diversos tipos de cimento com uma
variedade de componentes secundários, como as pozolanas.
A cura úmida para o concreto, portanto, define praticamente o
comportamento das propriedades deste material ao longo de sua vida útil, em
especial a carbonatação. Esta é substancialmente reduzida quando o equilíbrio de
umidade entre a superfície do concreto de cobertura e o exterior encontra-se
adequado, principalmente nos períodos iniciais com uma cura prolongada,
possibilitando melhor hidratação do cimento, diminuição da porosidade e,
conseqüentemente, aumento das resistências finais.
Outra pesquisa que trata sobre o efeito da cura sobre a carbonatação é a de
PARROTT (1996). Nesse trabalho, foi verificada a influência dos tipos de
cimento e da cura na profundidade de carbonatação e na corrosão do aço dentro
do concreto. Foram testados três períodos de cura úmida 1, 3 e 28 dias, e usados
17 tipos de cimento. As leituras da profundidade carbonatada foram feitas aos 6 e
18 meses, sendo constatado que aos 18 meses a espessura foi 64% maior do que
aos 6 meses. Através da figura 1.6, abaixo, pode-se acompanhar o
desenvolvimento da profundidade de carbonatação para os diversos tipos de
cimento após 18 meses, para as 3 idades de cura úmida.
1dia de cura
3 dias de cura
28 dias de cura
15
10
5
F7
F6
F5
F4
F3
F2
F1
U9
U8
U7
U6
U5
U4
U3
U2
U1
0
D54
Prof. de carbonatação após 18 meses
(mm)
20
Tipos de cimento
FIGURA 1.6- Profundidade de carbonatação aos 18 meses para os 17 tipos de
cimento testados e para as 3 idades de cura úmida (1, 3 e 28
dias) PARROTT (1996).
A influência da cura no experimento de PARROTT (1996) foi significativa,
como pôde-se observar na figura 1.6, ocorrendo em média 38% de redução na
profundidade de carbonatação quando a comparação é feita entre as idades de 1 e
28 dias de cura úmida para os 17 tipos de cimento testados. Fazendo ainda a
comparação da espessura carbonatada para a idade de cura por 3 dias, verifica-se
que, em média, ela aumenta 33% em relação a cura por 28 dias e reduz 20% em
relação à cura por 1 dia.
Com isso, nota-se a tendência de uma menor carbonatação à medida que se
prolonga o tempo de cura, podendo ser explicada também, além dos fatores já
citados, devido à maior reserva alcalina proporcionada pela melhor hidratação dos
compostos anidros do cimento durante esse aumento do período de cura inicial.
Junta-se a isso o fato de a
camada superficial do concreto apresentar uma
microestrutura menos porosa, dificultando a difusão do CO2.
BENTUR, DIAMOND & BERKE (1997), ao comentarem o papel da cura
sobre a carbonatação, fizeram comparações de concretos curados em ambientes
diferentes, baseados em pesquisas de JAEGERMANN & CARMEL (1988) e
BENTUR & JAEGERMANN (1989 e 1990). A influência combinada da cura e
relação a/c em relação à profundidade de carbonatação, quando os concretos
foram expostos em locais diferentes e com 3 períodos de cura úmida 1, 2 e 7 dias,
é ilustrada na figura 1.7. Os autores observaram que uma cura inadequada resulta
em um aumento da profundidade de carbonatação de um fator de 2 a 4.
Segundo BENTUR, DIAMOND & BERKE(1997), os prejuízos de uma cura
inadequada dependem das condições ambientais. Eles são piores sob condições
quente-secos, mas também não podem ser ignoradas em ambientes quentemarinhos úmidos. A necessidade da prática de uma boa cura para o concreto é
enfatizada na figura 1.7, salientam os autores. A prescrição de resistência ou a/c
para os concretos, concluem os pesquisadores, não pode por si só ser suficiente
para obter o desempenho de durabilidade desejados, e uma cura inadequada pode
resultar numa redução de 20% na resistência à compressão, mas terá uma
influência mais danosa sobre a profundidade de carbonatação.
Neste contexto, entende-se que o efeito de aumentar o período de cura úmida
torna-se obrigatório para as estruturas de concreto, contribuindo para incrementar
as potencialidades das propriedades deste material, como também para retardar ou
impedir o aparecimento dos fatores de deterioração, reduzindo com isso os custos
de recuperação.
CAPÍTULO II- O EMPREGO DE POZOLANAS E OS EFEITOS NA
CARBONATAÇÃO DOS CONCRETOS DE ALTO DESEMPENHO
2.1 Introdução
A utilização de adições minerais nos concretos vem a ser, na atualidade, uma
das formas de aumentar as características de durabilidade das estruturas. Isto,
juntamente com o fato do aproveitamento das cinzas para a diminuição dos
problemas ambientais, faz dos pesquisadores que estudam o tema sujeitos na
busca de trabalhos experimentais que comprovem os benefícios destas adições e
sua conseqüente disseminação nos concretos.
O emprego de pozolanas, portanto, parece ser a tendência mundial para
melhorar as propriedades do concreto, especialmente as relativas à durabilidade,
como foi enfatizado nas palestras proferidas pelos professores MEHTA e
SWAMY, no 40º Congresso Brasileiro do Concreto (REIBRAC), realizado
recentemente na cidade do Rio de Janeiro (agosto, 1998).
Uma pozolana é assim definida, segundo MEHTA & MONTEIRO (1994,
p.217),
Material silicoso ou sílico-aluminoso que em si mesmo possui pouca ou
nenhuma propriedade cimentante mas, numa forma finamente dividida
e na presença de umidade, reage quimicamente com o hidróxido de
cálcio a temperaturas ambientes para formar compostos com
propriedades cimentantes.
Assim, a reação principal que ocorre entre o CH liberado da hidratação do
cimento Portland e a pozolana, chamada reação pozolânica, é a seguinte:
Pozolana + CH + H → C – S – H
Nas reações pozolânicas, de acordo com MASSAZZA(1998), ocorre uma
aceleração da hidratação do C3S pelas partículas finas das pozolanas, liberando os
íons Ca+2 e, posteriormente, formando o CSH com locais preferenciais de
nucleação, fazendo com que este precipite na solução dos poros . Em outras
palavras, acontece um mecanismo de dissolução e precipitação do CH, com a
adsorção dos íons Ca+2 pelos íons Si+4 dissolvidos da superfície dos grãos da
pozolana, com a conseqüente formação do C-S-H.
A formação dos silicatos de cálcio hidratados (C-S-H) secundários, de baixa
densidade, contribui para o refinamento do tamanho dos poros, ou seja, a
transformação de vazios capilares grandes em muitos vazios de pequenos
tamanhos.
Além deste efeito físico importante, a reação pozolânica é responsável
também pelo refinamento do tamanho dos grãos, que é a transformação dos grãos
maiores de um componente em grãos menores, aumentando com isso a resistência
da pasta de cimento.
Tanto o refinamento do tamanho dos poros como o dos grãos aumentam a
resistência da zona de transição, que é fonte principal das microfissuras no
concreto.
Esta redução na microfissuração do concreto, devido ao aumento da
resistência da pasta através das reações pozolânicas, diminui sensivelmente a
permeabilidade do sistema, impedindo a penetração de agentes agressivos e,
conseqüentemente, melhorando a durabilidade do material.
Entretanto, na medida em que o processo de formação do C-S-H nas reações
pozolânicas ocorre por dissolução e precipitação do CH, nas reações de
carbonatação o mecanismo não é o mesmo, devido às diferenças de natureza entre
as reações. Segundo MATALA (1997), nas reações de carbonatação, a difusão e
dissolução do CO2 na solução dos poros ocorre por um mecanismo de dissolução,
quando os compostos anidros do cimento são dissolvidos em seus constituintes
iônicos com a formação dos hidratos, ou por um processo topoquímico ou
hidratação no estado sólido, quando acontecem as reações diretamente na
superfície dos componentes do cimento anidro sem entrarem em solução,
modificando as características microestrutural e estrutural dos poros dos
compostos cimentantes.
O desenvolvimento das reações pozolânicas, portanto, induz a uma
diminuição nos teores de CH na solução dos poros do concreto, fazendo com que
necesssite menor quantidade de CO2 para reagir com o CH e formar os carbonatos
(NEVILLE,1997).
Este processo, conseqüentemente, aumenta a velocidade de carbonatação,
pois a difusão do CO2 nos poros é mais rápida devido à menor quantidade de CH
disponível para reagir.
As pozolanas utilizadas na pesquisa experimental foram a cinza volante, a
sílica ativa e a cinza de casca de arroz. Este capítulo aborda as principais
características destas pozolanas, como as vantagens e desvantagens do seu
emprego nos concretos, bem como dos seus efeitos na combinação ternária com o
cimento Portland.
O fenômeno da carbonatação no CAD também é tratado neste capítulo,
buscando pesquisas recentes realizadas com as pozolanas estudadas neste
trabalho, relacionando-as com as propriedades do concreto.
2.2 Características das pozolanas
2.2.1 Cinza volante
As cinzas provenientes da combustão do carvão mineral, chamadas de cinzas
volantes (CV), são resíduos sólidos obtidos principalmente em usinas
termoelétricas, quando suas partículas finas e esféricas são retidas por
precipitadores eletrostáticos ou mecânicos e armazenadas em silos apropriados,
sendo constituídas essencialmente de sílica, alumina e óxidos de ferro.
Sabe-se que o carvão mineral é uma das maiores fontes de energia nãorenovável da Terra, e, entre os países que mais detém estes recursos, estão a União
Soviética, Estados Unidos e China. A União Soviética, segundo MEHTA (1989),
é a maior produtora de carvão no mundo, e também a que mais produz cinza,
cerca de 10 milhões de toneladas/ano.
No Brasil, as fontes produtoras estão restritas à Região Sul, nos estados de
Santa Catarina e Rio Grande do Sul. Neste último estado, encontram-se as usinas
termoelétricas de Charqueadas, em São Jerônimo, e Presidente Médici, em Bagé,
e os sistemas de geração de vapor da Riocell, em Guaíba, e da Copesul, em
Montenegro e Triunfo.
As quantidades de cinza volante produzidas anualmente nessas usinas são as
seguintes: Presidente Médici- 220.000 t/ano, Charqueadas- 120.000 t/ano,
Copesul-190.000 t/ano e Riocell-50.000 t/ano (KIHARA & SCANDIUZZI,
1992).
Boa parte dessas cinzas, aproximadamente 60%, são utilizadas nas indústrias
cimenteiras para a fabricação do cimento pozolânico, que, segundo a
especificação brasileira EB-758, admite de 15% a 50% (em massa) de pozolanas
na sua composição. A outra parte que não é aproveitada pela indústria é lançada
na natureza, causando poluição do ar e da água.
A cinza volante foi utilizada durante muito tempo em obras de barragem para
a diminuição do calor de hidratação e o custo do empreendimento. Outro emprego
dessa cinza é como componente na estabilização de solos, usada junto com a cal
para formação da base em pavimentações de estradas.
Os benefícios da CV para o concreto no estado fresco são significativos, como
o aumento no tempo de pega, melhora na coesão e trabalhabilidade, diminuição da
exsudação e segregação, facilitando o transporte e o bombeamento a grandes
distâncias.
No concreto endurecido, as reações de hidratação ficam um pouco retardadas
nos períodos iniciais, contribuindo para a diminuição da temperatura. A longo
prazo, em idades superiores a 28 dias, ocorre o aumento da resistência do
concreto, devido principalmente ao refinamento dos poros da pasta.
Com isso, as vantagens da adição dessa cinza aos concretos se traduz no
incremento da impermeabilidade e, conseqüentemente, da durabilidade do
material.
As cinzas volantes são classificadas em duas categorias, segundo a norma
americana ASTM C 618 (1980): as de baixo teor de cálcio (menos de 10% de
CaO) do tipo F, e as de alto teor de cálcio (entre 10 e 30% de CaO) do tipo C.
As cinzas do tipo F são as mais comuns e provenientes do carvão betuminoso,
e as cinzas do tipo C são originadas do carvão sub-betuminoso ou lignito e
resultam cinzas volantes ricas em cal.
A constituição mineralógica das cinzas volantes de baixo teor de cálcio (tipo
F) consistem principalmente de vidros de aluminossilicatos, sendo que os
principais minerais cristalinos são quartzo, mulita, hematita ou magnetita. Quando
esses minerais estão presentes em grandes proporções, eles tendem a reduzir a
reatividade das cinzas, pois não reagem com o hidróxido de cálcio à temperatura
ambiente. A maioria das cinzas volantes, tanto a do tipo F quanto a do tipo C,
possuem aproximadamente 60 a 85% de vidro, 10 a 30% de compostos
cristalinos, e até cerca de 10% de carvão não-queimado (MEHTA
&
MONTEIRO, 1994). Portanto, quanto mais elevado for o teor de matéria amorfa,
sob a forma de vidro, mais reativas serão as cinzas volantes.
A composição química da cinza volante restringe-se basicamente ao teor de
óxidos. Pela norma ASTM C 618 (1980), os principais requisitos são os seguintes:
o total de sílica, alumina e óxido férrico não deve ser inferior a 70%; teor máximo
de 5% de SO3; perda ao fogo de até 5%; e um teor máximo de álcalis (Na2O) de
1,5%. Esses requisitos para a cinza volante também estão de acordo com a norma
brasileira
NBR 12653/92, com exceção apenas do limite da perda ao fogo, que admite um
máximo de 6%.
As características físicas das cinzas volantes são muito variáveis e dependem
muito da composição e grau de pulverização do carvão, da qualidade e tipo de
equipamento da combustão, bem como do modo de coleta das cinzas.
As partículas de cinza volante são esféricas e possuem diâmetro entre 1 µm e
100 µm, com mais de 50% menores do que 20 µm. A área específica Blaine está
normalmente entre 250 e 600 m2/kg. Estas características, juntamente com a
morfologia da cinza, exercem muita influência sobre a demanda de água, a
trabalhabilidade do concreto fresco e a velocidade de desenvolvimento da
resistência do concreto endurecido (NEVILLE, 1997).
A massa específica da CV encontra-se na faixa entre 1,9 e 2,4 g/cm3, não
sendo uma característica determinante da qualidade da cinza, mas é um indicativo
da dimensão dos grãos. A finura é uma propriedade importante desta pozolana,
pois influencia sobretudo na atividade pozolânica, de modo que, quanto mais fina,
mais rapidamente elas reagem com o cimento (ISAIA, 1991).
Com relação à carbonatação dos concretos com CV, vários estudos
demonstram que o pH não é substancialmente reduzido para promover a
despassivação do aço. Na pesquisa como a de DIAMOND (1981), investigando
dois tipos de pasta de cimento com cinzas volantes, foi observado que a
alcalinidade é mais dependente dos teores de hidróxido de sódio e potássio
provenientes do cimento do que do hidróxido de cálcio liberado das reações de
hidratação.
2.2.2 Sílica ativa
A sílica ativa (SA), também conhecida por microssílica, sílica volatizada ou
simplesmente fumo de sílica, é um subproduto da fabricação de silício ou ligas de
ferro-silício a partir de quartzo de elevada pureza em fornos a arco e de indução
das indústrias de silício metálico.
Segundo NEVILLE (1997, p. 104), “...o SiO que se desprende na forma de
gás, se oxida e se condensa na forma de partículas esféricas extremamente
pequenas de sílica amorfa (SiO2); por esta razão o nome de fumo de sílica”.
Essa pozolana, quando adicionada ao concreto, melhora sensivelmente a
resistência à compressão nos períodos iniciais (2 e 3 dias), devido a sua elevada
superfície específica que está entre 20000 e 25000 m2/ kg e não pode ser detectada
pelo método Blaine, mas sim através de ensaio por adsorção de nitrogênio.
O efeito filler das pequenas partículas induz a uma microestrutura da pasta
mais densa e uniforme, reforçando a zona de transição pasta-agregado,
contribuindo para o acréscimo de resistência e impedindo a entrada de agentes
agressivos devido à maior compacidade do concreto.
A sílica ativa também melhora a zona de transição através das reações
pozolânicas. O consumo de CH por estas reações proporciona uma redução na
espessura da camada entre a pasta e o agregado, ocorrendo uma densificação da
mesma, ratificada por várias pesquisas, como as de LARBI & BIJEN (1990,
1993) e BIJEN & SELST (1993).
Portanto, tanto o efeito microfiller como a influência pozolânica da SA são
responsáveis pelo aumento da resistência na interface pasta-agregado, reduzindo a
possibilidade de microfissuração.
A maioria das partículas de SA possuem diâmetro entre 0,03 µm e 0,3 µm,
sendo que a dimensão média é aproximadamente 0,1 µm. A massa específica
situa-se na ordem de 2,20 g/cm3 (NEVILLE, 1997).
A distribuição granulométrica das partículas de SA é duas ordens de grandeza
mais fina que a do cimento Portland comum e das cinzas volantes típicas. Esse
comportamento caracteriza a SA como altamente pozolânica, mas, ao mesmo
tempo, aumenta o consumo de água no concreto, que só é solucionado com o
emprego de aditivos plastificantes (MEHTA & MONTEIRO, 1994).
Apesar do alto consumo de CH pelas reações pozolânicas, os concretos com
SA não modificam substancialmente o seu pH. Pesquisa realizada por
HAVDAHL & JUSTNES (1993) com pastas de cimento e SA na proporção de 1 a
20% de substituição e relações a/ag entre 0,2 e 0,4 mostraram que, em todas as
pastas em que o CH havia sido consumido, o pH encontrava-se superior a 12,5,
sendo explicado pela alcalinidade fornecida pelo C-S-H.
2.2.3 Cinza de casca de arroz
A cinza de casca de arroz (CCA) é um subproduto da queima da casca de
arroz a céu aberto ou pela combustão não-controlada em engenhos para a secagem
dos grãos, como também em fornos de olarias para a fabricação de tijolos.
Nos dias de hoje, o acúmulo da casca, especialmente em engenhos de
beneficiamento de arroz, representa um sério problema ambiental, pois, quando
ela é queimada, gera um volume considerável de cinza, que, por sua vez, é
lançada ao solo, ar e nas margens dos rios, arroios ou açudes, causando um
desequilíbrio no ecossistema.
Essa questão tem despertado nos pequisadores, principalmente da área
tecnológica, uma motivação para a descoberta de soluções que visem ao
aproveitamento desses rejeitos, minimizando os efeitos danosos à natureza. Com
isso, as pesquisas em certos países encontram-se num bom ritmo, como no Japão
e Malásia, que detém uma grande produção de arroz em nível mundial, buscando
a utilização da casca na geração de energia e da cinza como material suplementar
para o emprego em concretos.
No beneficiamento do arroz, cada tonelada produz ao redor de 200 kg de casca
e esta, por combustão, gera 40 kg de cinza, que geralmente contém altos teores de
minerais de sílica não-reativos, tais como a cristobalita e a tridimita. Após um
processo de moagem, as partículas ficam mais finas e passam a desenvolver
atividade pozolânica (MEHTA & MONTEIRO, 1994).
Nesse aspecto, a CCA tem comportamento similar ou até melhor que a SA,
por isso alguns pesquisadores a consideram como uma superpozolana, devido a
sua alta reatividade quando a queima for controlada.
A explicação, de acordo com MEHTA (1992), se deve ao fato de a CCA ser
formada a baixas temperaturas, apresentando superfície microporosa, facilitando a
formação de C-S-H e de sílica hidratada. Com as outras pozolanas, o processo de
obtenção se dá pelo rápido resfriamento de gotas fundidas a altas temperaturas,
produzindo partículas com superfície mais impermeável, necessitando de maior
tempo de indução para que a sílica amorfa reaja com os compostos alcalinos.
A finura da CCA está representada pela sua elevada superfície específica, que
é determinada por adsorção de nitrogênio e gira ao redor de 50000 a 60000 m2/kg,
quando produzidas industrialmente (MEHTA & MONTEIRO, 1994).
Como acontece com a SA, o efeito filler (físico), acompanhado das reações de
natureza química (reações pozolânicas) da CCA, contribui para a segmentação dos
poros do concreto, fazendo com que ocorra o refinamento dos grãos de CH,
formando cristais de menores dimensões. Com isso, a zona de transição pastaagregado é diminuída e reforçada pela produção do C-S-H secundário, sendo este
o maior responsável pelo aumento da resistência à compressão.
Em vista dessas características, a CCA é uma pozolana que desperta muito
interesse no meio técnico, apesar das poucas pesquisas realizadas até o momento.
As qualidades que ela apresenta, não só pelas altas resistências nas primeiras
idades (1 e 3 dias) como também a longo prazo, melhorando as propriedades
relativas a durabilidade do concreto, já são suficientes para torná-la corriqueira em
experimentos e lançá-la como a adição mineral do futuro.
2.2.4 Benefícios do emprego conjugado das pozolanas
Foram relatadas as vantagens da utilização das pozolanas (CV, SA e CCA) em
misturas binárias com o cimento Portland. As pesquisas com essas adições
apontam que a conjugação em misturas ternárias apresenta igual ou maior
benefício que seu emprego isoladamente.
Extenso trabalho experimental foi realizado por ISAIA(1995), analisando
várias propriedades ligadas à durabilidade do CAD com vistas à corrosão do aço,
empregando misturas binárias e ternárias com as três pozolanas citadas acima.
Entre as variáveis investigadas estão resistência à compressão, módulo de
elasticidade, retração, calor de hidratação, penetração de cloretos, relação Cl-/OH-,
penetração de água e carbonatação acelerada. Foram estudadas 13 misturas, sendo
seis ternárias, seis binárias e uma mistura de referência. Nos traços ternários, a CV
foi conjugada com a SA e a CCA.
Os resultados, segundo ISAIA(1995, p. xvi), foram analisados de forma não
segmentada, "... sob ótica integrada (holística), privilegiando os processos
interativos que ocorrem na hidratação das pastas cimentantes,...". Com isso, foi
adotado um fator de desempenho global para cada mistura, para mostrar sua
eficiência com relação à durabilidade. As misturas que apresentaram os melhores
resultados foram as ternárias, em especial a CV+CCA(20+30)%, indicando que o
aumento do efeito sinérgico foi mais significativo para os altos teores. Assim,
conclui ISAIA(1995, p. 217) "... a ação física (defloculação, dispersão) que a CV
exerceu em conjunto com as adições pozolânicas da CCA e MS1, resultou em
microestrutura com menor porosidade (tortuosidade, bloqueio dos poros) e textura
mais homogênea (nucleação e refinamento dos grãos)".
A combinação, portanto, de pozolanas altamente reativas nos períodos iniciais,
como é o caso da SA e CCA, com a CV que possui efeito mais retardado, após 28
dias, parece ser mais promissora para os concretos sob o ponto de vista da
durabilidade, caracterizando a ação sinérgica entre as adições como um fator
importante no desempenho das misturas ternárias.
Nesta dissertação, procura-se também analisar o efeito sinérgico da CV
conjugada com a SA ou CCA em relação ao fenômeno da carbonatação,
1
A sigla MS , conforme anunciada na citação de ISAIA(1995,p.217), refere-se a sílica ativa (SA).
contribuindo para mostrar o desempenho das misturas ternárias neste tema
específico dentro da durabilidade dos concretos.
2.3 As pozolanas no CAD e a carbonatação
Alguns estudos sobre a influência da CV, SA e CCA na carbonatação dos
concretos de alto desempenho encontram-se relatados neste item, procurando
estabelecer relações existentes entre as propriedades modificadas pelo fenômeno,
tanto para o concreto fresco como a coesão, trabalhabilidade e exudação, quanto
para o concreto endurecido como o desenvolvimento das resistências mecânicas, a
porosidade e a permeabilidade.
O efeito das adições pozolânicas na micreoestrutura do CAD, como visto
anteriormente, se faz presente através da densificação da matriz da pasta,
reforçando a zona de interface pasta-agregado, principalmente devido ao aumento
do teor de finos, caracterizado pela alta superfície específica destes materiais, bem
como pelas reações químicas entre as pozolanas e o CH liberado da hidratação do
cimento.
Nesse aspecto, o aumento da quantidade de pozolana no traço do concreto
contribui favoravelmente, implicando uma maior compacidade e resistência da
pasta endurecida. Por outro lado, ocorre um maior consumo de CH, ocasionando o
incremento na carbonatação.
Pesquisa de HO & LEWIS (1987) investigando 16 combinações de misturas
contendo de 20% a 40% de CV mostrou, entre outros aspectos, a influência dos
altos teores sobre a carbonatação dos concretos. Os corpos de prova tiveram cura
úmida inicial durante 1, 7, 28, 91 e 365 dias, seguidas de cura ao ar no laboratório
por 21 dias. Para o teste de carbonatação acelerada foi utilizada câmara com
umidade relativa de 50%, temperatura ao redor de 23ºC e concentração de CO2 de
4%. As medidas da espessura carbonatada foram realizadas após 1, 4, 9 e 16
semanas de processo acelerado, em corpos de prova de 75x75x300 mm. A
incorporação de maior quantidade de CV aumentou o coeficiente de carbonatação
dos concretos. Analisando as misturas, concluem os autores, em igualdade de
resistência aos 28 dias, mesmo teor de aglomerante e mesma relação a/ag, os
concretos com cinza volante apresentaram menor resistência à carbonatação.
ISAIA (1992) faz um enfoque crítico sobre concretos com altos teores de
cinza volante frente à corrosão da armadura. Segundo o autor, embora exista uma
queda do pH da solução dos poros, essa diminuição ainda não é suficiente para
promover a despassivação da armadura, pois a reserva alcalina encontra-se
superior ao mínimo necessário. À medida que decresce levemente o pH, aumenta
o valor crítico da relação Cl-/OH-, dificultando a difusão dos íons cloreto.
O pequeno decréscimo do pH e o aumento da relação Cl-/OH-, obtido nos
ensaios de difusão de cloretos, pode ser explicado, de acordo com ISAIA(1992,
p.225), pelo “...refinamento dos poros proporcionados pela cinza, a presença de
compostos alcalinos em sua constituição, aliado à existência de Ca(OH)2
remanescente...”.
Também com relação aos altos teores de cinza volante, GALEOTA,
GIAMMATTEO & MARINO (1995) testaram concretos variando a proporção de
CV de 0 a 50%. As propriedades analisadas foram, entre outras, a resistência à
compressão e a flexão, módulo de elasticidade, aderência concreto-aço e retração.
Os resultados deste estudo mostraram que o concreto com altos teores possui
considerável potencial dentro de uma ampla variedade de aplicações estruturais.
Outra pesquisa com CAD contendo CV foi realizada por MÜLLER,
HÄRDTL & SCHIESSL (1997), sendo investigadas as propriedades mecânicas e
de durabilidade do concreto. As conclusões indicam que conteúdos de CV entre
40 e 60% de substituição do cimento fornecem resistências satisfatórias e também
uma boa proteção do aço contra a corrosão.
Com isso, observa-se que a utilização de altos teores de CV no CAD, apesar
de diminuir a sua resistência à carbonatação, ainda não é suficiente para promover
a deterioração do material em níveis prejudiciais à corrosão do aço.
A reserva alcalina do CAD com pozolanas é influenciada pelo aumento ou
diminuição no consumo de CH através das reações pozolânicas. Esse consumo é
modificado conforme a quantidade de adições minerais, bem como na combinação
binária ou ternária das mesmas com o cimento Portland. Diversas pesquisas
relatam o efeito sinérgico das pozolanas na carbonatação e também a influência
do conteúdo de CH.
SCHUBERT(1987) comenta que a substituição do cimento e/ou dos
agregados finos por cinza volante como uma adição, ou como um componente
principal do cimento no concreto ou na argamassa, afeta a permeabilidade e o
conteúdo de cálcio deste concreto. O consumo de CH na reação pozolânica,
conforme o autor, reduz a quantidade que pode ser carbonatada, de tal forma que a
ação do CO2 leva à formação de uma quantidade menor de carbonato de cálcio.
Neste caso, a taxa de carbonatação pode ser aumentada, já que a permeabilidade é
diminuída pelo carbonato de cálcio.
Outro estudo enfocando o conteúdo de CH nos concretos com misturas
binárias e ternárias de cinza volante e escória de alto forno em relação à taxa de
carbonatação foi apresentado por HORIGUCHI et al.(1994). Numa das
conclusões verificadas, em especial sobre as misturas binárias com cinza volante,
os autores referem que a utilização da CV em teores até 30% aumentou o
coeficiente de carbonatação, sendo que esse incremento foi proporcional à medida
que cresceu o teor de pozolana no traço e a tendência não mudou para os três tipos
de cimentos testados. Ainda com relação às conclusões, eles afirmam que, para
avaliar a taxa de carbonatação dos concretos com pozolanas, deve ser levado em
conta o conteúdo de CH presente na mistura, sendo determinado pelo balanço
entre a quantidade de CH produzido pela hidratação do cimento Portland e a
quantidade de CH necessária para a completa reação com as pozolanas.
Pesquisa, também envolvendo concretos com misturas binárias e ternárias de
CV, realizada por JONES, DHIR & MAGEE (1997), verificou que as taxas de
carbonatação dos concretos com pozolanas em misturas ternárias eram
significativamente mais altas que os traços binários e o concreto de referência. As
profundidades de carbonatação obtidas foram em média 2,5 vezes maiores que
para as misturas binárias. O aumento também foi proporcional à medida que
cresceu o teor de pozolana na mistura. Estudo de ISAIA (1997) sobre a ação
sinérgica da cinza volante em misturas pozolânicas ternárias concluiu que esta
pozolana possui efeito multiplicador tão maior quanto mais elevados forem os
teores de pozolanas contidos em cada mistura. Isto se deve, segundo o autor, à
maior dispersão dos grãos de cimento proporcionados pela cinza volante,
resultando na formação de locais adicionais de nucleação, bem como maior
quantidade de produtos hidratados.
BRANCA et al.(1993) estudou concretos contendo diferentes quantidades de
cimento Portland comum e cinza volante. Uma das conclusões dessa pesquisa
mostra que a adição de CV para substituir o cimento acelera o processo de
carbonatação. Os autores explicam é o fato de que, quando a CV substitui o
cimento, o CH é reduzido em função das reações pozolânicas, tornando o
processo de carbonatação mais rápido.
Pesquisa realizada por SASATANI, TORII & KAWAMURA(1995) também
estudou concretos contendo adições minerais, sendo expostos a várias condições
de cura. Foram analisadas a resistência à compressão axial, a permeabilidade, a
profundidade de carbonatação e a penetração de cloretos. Com respeito à
carbonatação, os pesquisadores observaram que, para todas as condições de cura,
a profundidade de carbonatação dos concretos contendo 30% de CV e concretos
com 50% de escória foi muito maior que o concreto testemunho e com aqueles
contendo 10% de sílica ativa. Este comportamento, segundo eles, não está
associado somente à porosidade do concreto e ao grau de saturação do mesmo,
mas também à quantidade de CH remanescente.
Estudo na microestrutura da argamassa com teores de CV de 15%, 35% e
50%, realizado por GOÑI et al.(1997), confirma que a diminuição na porosidade
total é decorrente da carbonatação. Os corpos de prova de argamassa de 10x10x60
mm permaneceram 24 horas nos moldes e, após, foram acondicionados em
câmara saturada de umidade por 28 dias. Quatro conjuntos de argamassa foram
moldados, um de referência (não-carbonatado), um para carbonatação natural (1
ano) no laboratório (40% a 50% UR) e dois conjuntos para carbonatação
acelerada, sendo um com 5% CO2 e outro com 100% CO2. Os ensaios para
caracterização da argamassa foram os de porosimetria, microscopia eletrônica de
varredura e resistência à flexão. A relação a/ag foi de 0,5 para todos os conjuntos.
Pela análise da solução dos poros, o pH foi um bom indicador do estágio da
carbonatação, como é mostrado na figura 2.1.
Através da figura 2.1, GOÑI et al. (1997) observaram que a neutralização total
da solução dos poros, de acordo com o indicador de fenolftaleína (pH<9), somente
foi encontrado para a carbonatação acelerada com presença de altos teores de CV.
Após um ano de carbonatação natural, o valor do pH da solução dos poros ainda
encontrou-se elevado, exceto para o teor de 50% de CV. Isto dá a impressão,
segundo os autores, que a carbonatação total ainda não foi atingida, sendo
explicado provavelmente pelo elevado conteúdo de CH não-carbonatado dentro
do cimento.
FIGURA 2.1- Níveis de pH para os quatro conjuntos de argamassa e teores de CV
(GOÑI et al., 1997).
Com relação à porosidade das argamassas, a figura 2.2 ilustra as variações
microestruturais causadas pela carbonatação.
FIGURA 2.2- Porosidade total para os quatro conjuntos de argamassa e teores de
CV (GOÑI et al., 1997)
Na figura 2.2, pode-se notar, de acordo com GOÑI et al. (1997), que as
variações na porosidade total foi menos relevante para as argamassas com 50% de
CV (redução de 12%) do que para aquelas apenas com cimento Portland (redução
de 22%). Em geral, ambos os tamanhos de poros (> 0,05µm e < 0,05µm) são
diminuídos como resultado da carbonatação das argamassas, sendo expressiva a
percentagem diminuída (em média 45%) da porosidade total para os poros <
0,05µm. Existe algumas diferenças no comportamento da porosidade dependendo
se a carbonatação é acelerada ou natural. Para a carbonatação natural, após um
ano de exposição, a porosidade diminui ligeiramente para teores abaixo de 15% de
CV, enquanto que para adições mais elevadas (35 e 50%) a porosidade total
aumenta ligeiramente, significando que o material não é afetado do ponto de vista
da sua microestrutura porosa. Quando a carbonatação é acelerada, concluem os
autores, a densificação da microestrutura é claramente observada, sendo menos
densa para teores de 50% de CV, e para as amostras completamente carbonatadas.
Observa-se, portanto, que a distribuição dos poros em misturas pozolânicas
carbonatadas modifica a porosidade total, havendo aumento dos macroporos e
diminuição dos microporos à medida que cresce o teor de adição no traço.
A quantidade adequada de CV para os concretos de alto desempenho dentro
de uma variedade de aplicações estruturais consistiu no experimento de
SIRIVIVATNANON & KHATRI (1998). A durabilidade dos concretos com CV
foi comparada com os concretos de cimento Portland, em igualdade de resistência
à compressão (28 dias), em termos da resistência para a carbonatação, penetração
de cloretos e ataque de sulfatos. Com relação à carbonatação, foi investigado o
efeito do emprego de aditivos nos concretos, o efeito do ambiente sobre a taxa de
carbonatação, bem como os testes de carbonatação acelerada. Sobre os ensaios
acelerados, os autores observaram que a cura dos concretos em períodos curtos
(28 dias) pode afetar os coeficientes de carbonatação devido à exposição
prematura dos corpos de prova ao processo acelerado. Em função disso, eles
deixaram os concretos envelhecerem naturalmente por três meses (90 dias) para
depois colocarem os corpos de prova na câmara com 4% de CO2. Na figura 2.3
estão representados os coeficientes de carbonatação para os concretos de
referência e com 30% de CV, em função das resistências.
FIGURA 2.3- Coeficientes de carbonatação para os concretos de referência e com
CV. (SIRIVIVATNANON & KHATRI, 1998).
Nesta figura 2.3, observa-se que os concretos com cinza volante possuem
coeficientes de carbonatação em mm/ semana mais elevados que o concreto de
referência, sem adições. Para estabelecer a validade do teste acelerado para a
idade de pré-cura aos 90 dias, os autores fizeram uma comparação dos resultados
dos coeficientes de carbonatação para três tipos de exposição dos concretos, um
no teste acelerado, um dentro do laboratório e outro de campo (em Sydney, na
Austrália). Foram testados concretos com cimento Portland (CP), concretos com
cimento Portland mais escória (CPE) e concretos com cimento Portland mais
sílica ativa (CPSA) para as três condições de exposição. Na tabela 2.1 encontramse os coeficientes de carbonatação obtidos, sendo expressos em mm/ ano para os
corpos de prova com exposição natural (laboratório e campo) e mm/ semana
para os corpos de prova com exposição acelerada.
TABELA 2.1- Coeficientes de carbonatação obtidos para as diferentes exposições
(SIRIVIVATNANON & KHATRI, 1998).
CP
Concretos
Resistência (MPa)
Teste acelerado
(mm/ semana )
Laboratório
(mm/ ano )
Campo (Sydney)
(mm/ ano )
CPE
CPSA
35
40
50
35
40
50
35
40
50
4,6
4,0
2,4
5,1
5,2
3,9
5,2
2,7
2,9
3,9
2,6
1,8
5,6
4,5
3,1
4,0
1,6
0,9
2,1
1,3
0,3
2,6
2,1
0,9
1,3
1,1
0,4
Através dos resultados da tabela 2.1, segundo SIRIVIVATNANON &
KHATRI (1998), pode-se observar que os coeficientes são mais elevados para o
teste acelerado, quando comparados com os dados do laboratório e de campo.
Neste último, os coeficientes foram significativamente menores do que aqueles
obtidos em laboratório e no ensaio acelerado. Isto pode ser explicado pelas
diferenças nas condições ambientais, pois em Sydney o tempo apresenta-se muito
chuvoso, sempre com altas umidades, enquanto no laboratório a umidade é baixa
e encontra-se numa faixa controlada. De qualquer modo, concluem que a
tendência obtida para o ensaio acelerado e para a exposição no laboratório pode
ser considerada igual à exposição de campo, embora os valores absolutos dos
coeficientes sejam diferentes.
Essa preocupação dos pesquisadores SIRIVIVATNANON & KHATRI
(1998), quanto ao período de pré-cura ao ar dos concretos antes da colocação dos
corpos de prova em câmara acelerada de carbonatação é justificada, pois o
concreto com pozolanas necessita de um tempo adequado para que as reações
pozolânicas se processem antes das reações de carbonatação e sem a interferência
destas, pelo menos de uma forma marcante como acontece nos ensaios acelerados.
Um dos objetivos desta pesquisa é justamente verificar a influência dos
períodos de pré-cura ao ar dos concretos antes do processo acelerado, procurando
contribuir para compreender melhor esta questão.
Também com relação à cura, ALMEIDA(1991) testou concretos com
pozolanas e concretos testemunhos. Os corpos de prova foram submetidos a dois
tipos de exposição: um a céu aberto (sujeito a intempéries) e outro em câmara
condicionada (20°C e 55% UR), com idades de leitura da profundidade
carbonatada aos 28, 90, 180, 365 e 730 dias. Segundo o autor, o concreto de
referência apresentou maior carbonatação que os concretos com adições minerais,
quando mantidas a céu aberto. Na câmara condicionada, o inverso foi quase
sempre verdadeiro, indicando que os concretos com pozolanas são mais sensíveis
a condições de cura mais severas. Portanto, como uma das conclusões do estudo,
o autor afirma que “As profundidades de carbonatação medidas em câmaras
condicionadas podem então ser consideradas como valores máximos, favoráveis à
segurança estrutural”.
Pesquisa realizada com concretos contendo cinza volante foi relatada por
THOMAS & MATTHEWS (1992), com ênfase particular sobre o papel da cura.
Os resultados enfatizam a importância de uma cura adequada para a durabilidade
do concreto, independentemente da presença da cinza volante. Em alguns casos, o
aumento do período de cura inicial de 1 para 7 dias teve o efeito de reduzir a
carbonatação em 50%. Uma das conclusões deste trabalho mostra que a taxa de
carbonatação diminuiu à medida que a duração da cura inicial era aumentada.
Entretanto, o efeito da duração da cura se tornou menos marcante num ambiente
de umidade relativa mais alta. A profundidade de carbonatação também diminuiu
à medida que a umidade relativa, depois da moldagem, aumentou, bem como as
reduções tornaram-se mais marcantes nas umidades relativas acima de 80%.
Conclusão semelhante a de THOMAS & MATTHEWS (1992) também foi
relatada por HO & LEWIS (1987), verificando que para a cura úmida de 7 dias, a
carbonatação foi essencialmente dependente da relação a/ag, mostrando-se
indiferente ao tipo de mistura considerada no estudo. Quando a cura inicial foi
aumentada de 1 para 7 dias, a carbonatação diminuiu, enquanto ficou praticamente
inalterada quando ela foi superior a 7 dias.
As profundidades de carbonatação em concretos com e sem sílica ativa foi
objeto de estudo de SKJOLSVOLD (1986), onde foram retiradas 16 amostras de
concreto em estruturas com SA e 11 amostras em estruturas que continham apenas
cimento Portland. Algumas amostras foram extraídas da parte interna das
edificações e outras da parte externa. Para cada teste, foram retirados 3 pedaços de
concreto com diâmetro de 31mm e comprimento entre 30 e 40 mm. O tempo de
exposição destas amostras variou de 41 a 90 meses antes da leitura da
profundidade carbonatada. Para uma razoável comparação dos concretos, tanto o
período de tempo (valor médio de 58,5 meses) quanto as resistências (valor médio
de 34,7 MPa) foram corrigidas para 60 meses e 33 MPa, respectivamente,
procedendo após os ajustes em todas as profundidades de carbonatação. A
espessura média de carbonatação foi de 11,6 mm para os concretos com SA e 8,8
mm para os concretos com cimento Portland. Estes valores apresentaram um
grande desvio padrão para as profundidades de carbonatação dos concretos, sendo
mais elevado para os concretos com SA (desvio padrão= 5,9 mm). As
investigações de campo mostraram resultados inaceitáveis para as profundidades
de carbonatação em ambos os concretos , após 5 anos. O autor conclui que as
investigações em estruturas existentes não são fidedignas para a comparação entre
os concretos estudados, e as razões disso são as variações locais de cada estrutura,
bem como dados pouco confiáveis sobre a composição dos concretos (relação a/c,
resistências, etc.).
O microclima de cada região, portanto, encontra-se como o maior responsável
pela variação das profundidades de carbonatação dos concretos, podendo
apresentar valores mais elevados em ambientes quentes e com umidade entre 50%
e 80%, e valores menores para ambientes chuvosos ou muito secos.
Com relação à CCA, muitos experimentos têm destacado as qualidades desta
pozolana, como, por exemplo, ZHANG & MALHOTRA (1995), que avaliaram às
propriedades físicas e químicas da CCA incorporada ao concreto, bem como o
desempenho desta cinza no concreto fresco e endurecido. Foram analisados
concretos contendo CCA, concretos com SA e concretos testemunhos (com
cimento Portland comum). Para a resistência à compressão, os concretos com
CCA apresentaram melhores resultados em várias idades até 180 dias quando
comparados com o concreto testemunho, mas valores menores do que os
concretos com sílica ativa. Todos os concretos estudados indicaram resultados
semelhantes com relação às propriedades de resistência à flexão e cisalhamento,
módulo de elasticidade e retração, sendo que o concreto com CCA mostrou-se
com excelente resistência à penetração de íons cloretos. Os autores concluem que
a CCA é altamente pozolânica e pode ser usada como material cimentante
suplementar.
Apesar de poucos experimentos com esta adição, a CCA tem-se mostrado com
boa performance nas propriedades do CAD como descrito acima, e também com
relação à carbonatação.
Com efeito, a CCA tem sido apontada como uma mistura promissora para o
concreto, por MATSUI et al.(1996), já que possui uma maior ou igual área
específica quando comparada com a sílica ativa, e um efeito favorável ao
desenvolvimento da resistência do concreto. Em relação ao teste de carbonatação
acelerada, foi observado que a profundidade de carbonatação diminuiu com o
decréscimo da relação a/ag da mistura testemunho, enquanto nenhuma
carbonatação pôde ser detectada para as misturas com CCA ou SA. Isto pode ser
atribuído ao aumento da densidade do concreto pelo uso da CCA e da SA.
Pesquisa como a de SUGITA et al. (1997), também com relação a CCA,
mostra a resistência dos concretos feitos com esta pozolana para o ataque ácido,
penetração de íons cloreto e carbonatação. Foram utilizadas adições de 10 a 50%
de CCA, e relações a/ag de 0,75 e 0,80. Para a carbonatação, as leituras foram
realizadas após 2, 4 e 8 semanas de processo acelerado com 5% de CO2 na
câmara, sob condições de 30ºC de temperatura e 60% de umidade relativa. Como
conclusões, os autores colocam que os efeitos da CCA no aumento da resistência
à compressão e também na melhoria do concreto ao ataque ácido, penetração de
íons cloretos e carbonatação, podem ser atribuídos principalmente a formação de
maior quantidade de gel C-S-H e menos Portlandita (CH), bem como na
diminuição do tamanho dos poros.
CAPÍTULO III – INVESTIGAÇÃO EXPERIMENTAL
3.1 Introdução
Pelos padrões da ciência, toda descoberta necessita ser embasada em
parâmetros físicos, que possa ser comprovada mediante os cinco sentidos: tato,
olfato, visão, audição e paladar.
As pesquisas científicas de um modo geral, portanto, envolvem uma base
teórica de onde se criam modelos e referencial para o aprofundamento do assunto
ou tema e um desenvolvimento prático e experimental, que visa ratificar através
da física o problema proposto dentro do delineamento teórico.
Esta visão um tanto cartesiana contribuiu de forma eficiente para que
prevalecesse a idéia de que somente era científico aquilo que poderia passar pelo
crivo da racionalidade, da mensuração e da comprovação.
Nesta pesquisa, apesar de buscar através dos resultados dos experimentos
uma resposta aos problemas propostos, é necessário certamente ampliar os
olhares, isto é, admitir outras formas de contemplar a diversidade da pesquisa
científica, principalmente devido à pluralidade da dimensão humana.
Por isso, deve-se possuir uma visão despreendida do experimento em si e
procurar analisar todos os elementos envolvidos na pesquisa, tanto os materiais
quanto os recursos humanos, de uma maneira integrada, propiciando assim
contribuir para a desmistificação do “pensar ciência” apenas com a racionalidade
de Descartes, mas sim disseminar a verdadeira faceta do ser humano, que é
possuir criatividade e imaginação.
Este trabalho experimental procura dar subsídios, através de seus resultados,
para a interpretação do fenômeno da carbonatação do concreto com pozolanas.
O objetivo principal que move esta investigação é o de verificar qual a
influência que teores normais e elevados de pozolanas, em misturas binárias e
ternárias com o cimento, terão sobre a carbonatação do concreto.
Este objetivo principal foi desdobrado em questões mais específicas tais
como:
•
Quais as pozolanas que mais influenciam na velocidade de
carbonatação, e em que teores de substituição do cimento elas contribuem
mais diretamente para o fenômeno?
•
O período de pré-cura ao ar do concreto causa alguma influência
entre as reações pozolânicas e as reações de carbonatação, na câmara
climatizada?
•
Quais são as possíveis influências entre o teor de hidróxido de
cálcio (CH) remanescente, a alcalinidade e a carbonatação dos concretos
estudados?
•
Como evolui o coeficiente de carbonatação quando se adicionam
elevados teores de pozolanas, isolada ou conjuntamente, em comparação
com o concreto de referência, sem pozolanas?
O delineamento da experiência foi realizado a partir da determinação das
variáveis envolvidas na pesquisa, onde se procurou fixar as condições dos ensaios,
tais como as idades de cura do concreto, as relações a/ag, a temperatura, umidade
e concentração de CO2 na câmara climatizada, etc..
Com as variáveis definidas, determinaram-se os procedimentos e técnicas
para a execução dos ensaios, como a preparação dos materiais e as recomendações
das normas brasileiras e internacionais.
Os ensaios de caracterização dos materiais como o cimento, as pozolanas e
os agregados serviram para a determinação das propriedades fisicas e químicas
necessárias ao desenvolvimento dos demais ensaios, como também para elucidar
possíveis questionamentos sobre a microestrutura dos concretos.
Para implementar os objetivos da pesquisa, procedeu-se à realização dos
ensaios com a pasta (teor de CH) e com o concreto (alcalinidade/pH, resistência à
compressão axial, carbonatação acelerada e carbonatação natural).
3.2 Variáveis envolvidas na pesquisa
Na elaboração da metodologia de um experimento, deve-se definir e
quantificar as variáveis utilizadas para atingir os objetivos propostos.
Neste intuito, procura-se fixar as variáveis independentes, intervenientes e
dependentes, para melhor adaptar a pesquisa dentro dos prazos de tempo
disponíveis e condições físicas para os ensaios, bem como facilitar o alcance das
metas desejadas.
Para tal, torna-se importante a definição de cada uma delas dentro dos padrões
tecnológicos, a saber:
a) Variáveis independentes: são aquelas que influenciam a relação
sólido/espaço da pasta e o seu grau de compacidade, sendo inerente à
própria constituição do concreto. Para esta pesquisa, foram definidas as
seguintes:
- Relação água/aglomerante (a/ag – em massa): 0,35, 0,45 e 0,55, mantidas
fixas para todos os concretos ao longo do experimento;
- Idade de ensaio: 7, 28, 91 e 182 dias para a compressão axial; 91 dias para
os ensaios de teor de hidróxido de cálcio e alcalinidade; e, ½, 1, 2, 3, 4 e 5
anos para a carbonatação natural.
b) Variáveis intervenientes: são aquelas que modificam as propriedades do
material cimentante. Consistem nas seguintes:
- Tipo de pozolana:
•
sílica ativa;
•
cinza volante;
•
cinza de casca de arroz;
•
cinza volante com sílica ativa;
•
cinza volante com cinza de casca de arroz.
A utilização da cinza volante conjugada com a sílica ativa ou cinza de casca
de arroz, em misturas ternárias, é importante para o concreto, pois apresentam
propriedades complementares ao longo do tempo, principalmente porque a sílica
ativa e a cinza de casca de arroz são mais ativas nos primeiros períodos (1 a 7
dias), enquanto que a cinza volante tem ação mais tardia, geralmente acima de 28
dias.
- Teor de pozolana: foram definidos dois níveis de substituição de cimento
por pozolana, normal e elevado, como segue abaixo:
• sílica ativa: 10% e 20%;
• cinza volante: 25% e 50%;
• cinza de casca de arroz: 25% e 50%;
• cinza volante e sílica ativa: (15 + 10)% e (30 + 20)%;
• cinza volante e cinza de casca de arroz: (10 + 15)% e (20 + 30)%.
c) Variáveis dependentes: são aquelas que necessitam da definição das outras
variáveis para estas atingirem os resultados esperados. Constituem-se nas
seguintes:
- Em concreto:
• resistência à compressão axial;
• profundidade de carbonatação acelerada;
• profundidade de carbonatação natural;
• pH da solução aquosa dos poros.
- Em pasta endurecida:
• teor de hidróxido de cálcio remanescente.
3.3 Procedimentos e técnicas para os ensaios
O experimento dividiu-se em três fases, cada uma delas interligada com as
outras e principalmente com o objetivo final de obtenção dos resultados para
análise e conclusões da pesquisa.
Em um primeiro momento, fase inicial, procedeu-se à coleta dos materiais e
à preparação dos mesmos para os ensaios.
O cimento usado foi o Portland de alta resistência inicial, do tipo CPV–ARI,
com embalagens de 40 kg. Este tipo de cimento é o mais adequado para a
pesquisa porque tem menos adições, possibilitando a substituição de altos teores
por pozolanas.
Das três pozolanas utilizadas na pesquisa, apenas a sílica ativa veio
industrializada, pronta para os ensaios. Este material foi adquirido de fabricante
nacional, do tipo não-densificada.
As outras pozolanas, cinza volante e cinza de casca de arroz, foram doadas
por empresas da região e passaram por processos de moagem, peneiramento e
secagem no laboratório.
A cinza volante foi fornecida pela empresa Prontomix-Tecnologia de
Concreto Ltda., sendo proveniente da Riocell (Guaíba/RS).
A cinza de casca de arroz, primeiramente, foi coletada em dois engenhos da
região, que a obtinham através da queima da casca de arroz para secagem dos
grãos. Por meio dos ensaios de pozolanicidade foi escolhida a que apresentou
melhor reatividade com o cimento. Portanto, optou-se pela cinza proveniente do
engenho Da Cás Irmãos Ltda.
Tanto a cinza volante como a cinza de casca de arroz sofreram moagem por
um período de uma hora em moinho de bolas, sendo após secas em estufa a 110
o
C e peneiradas, tomando-se para os ensaios a fração passante na peneira #0,3mm.
As cinzas foram acondicionadas em embalagens plásticas bem fechadas e
identificadas.
Como agregado miúdo, utilizou-se areia de rio, natural e quartzoza,
proveniente do Arenal e peneirada na #6,3mm. Foi devidamente lavada para a
retirada de impurezas e seca em estufa a 110º C. Este último procedimento teve a
finalidade de empregar-se no concreto areia praticamente isenta de umidade.
Foi empregada, como agregado graúdo, pedra britada de rocha basáltica,
oriunda de jazida da região, com partículas na maioria de forma equidimensional e
diâmetro máximo de 19 mm. A brita foi previamente lavada, seca ao ar ambiente
e armazenada em caixas para o uso quando da moldagem dos concretos.
O aditivo usado para conferir a trabalhabilidade desejada aos concretos foi o
“Sikament”, produto da empresa Sika S/A. Este superplastificante é isento de
cloretos e possui densidade de 1,18 g/cm3 .
Na fase seguinte do experimento, fase intermediária, foram realizados os
ensaios de caracterização dos materiais, os ensaios de trabalhabilidade com o
concreto e a moldagem definitiva dos corpos de prova.
Tendo em vista a importância do conhecimento das características físicas e
químicas dos materiais envolvidos na pesquisa, procedeu-se à realização dos
ensaios de caracterização, segundo as normas brasileiras ou recomendações de
normas estrangeiras.
Primeiramente, foi necessária a determinação da massa específica do cimento
e pozolanas para aplicá-las ao ensaio de atividade pozolânica com cimento, bem
como também para a correção dos traços definitivos, devido à grande diferença de
densidade entre o cimento e as pozolanas.
Após, realizaram-se os outros ensaios de caracterização com os materiais
finos e também com os agregados miúdo e graúdo, possíveis de serem feitos no
laboratório.
Alguns ensaios, como as análises químicas e a distribuição granulométrica
do cimento e pozolanas, exigiram equipamentos não disponíveis no laboratório,
sendo, portanto, executados na Associação Brasileira de Cimento Portland-ABCP
em São Paulo.
O ensaio de trabalhabilidade com o concreto fresco teve por objetivo a
obtenção da consistência desejada para os traços, através da variação na
quantidade de água ou aditivo superplastificante.
Experimentalmente, o volume de argamassa no concreto de referência foi
determinado variando-se os volumes de areia das misturas-testes, até obter-se a
consistência desejada pelo abatimento do cone de Abrams, que foi especificado
em 60mm ± 15mm, bem como o tempo de remoldagem pelo aparelho de Vebe,
correspondendo ao tempo de 3” com tolerância de 1”.
Encontrou-se um volume ótimo de 52% de argamassa seca em relação ao
volume total dos materiais secos.
Portanto, manteve-se constante o volume de argamassa para todos os traços
da pesquisa, retirando-se o volume correspondente de agregado miúdo (areia
média), à medida que aumentou o teor de pozolanas de cada traço. Este
procedimento foi necessário para impedir que teores mais elevados de pozolanas
aumentassem excessivamente o volume de argamassa, e com isso também a
demanda de água.
Optou-se pelo método da simples substituição de parte da massa de cimento
por pozolanas, com teores variando de 10% a 50%, em massa, de acordo com a
pozolana estudada e com a conjugação da mesma em traços ternários.
Essa substituição do cimento por pozolanas proporcionou um aumento no
volume de pasta de cimento dos traços em relação ao concreto de referência sem
cinza. Esse incremento foi de até 23% para a mistura binária de cinza de casca de
arroz, conforme mostra a tabela 3.1 abaixo.
TABELA 3.1-Teor de reposição de CCA e volume de aglomerante.
CIMENTO
Peso
Volume(
3
(Kg)
dm )
100
31,8
75
23,9
50
15,9
CCA
Peso
Volume(
3
(Kg)
dm3)
dm )
0
25
50
AGLOMERANTE
Volume(
%
11,6
23,1
31,8
35,5
39,0
100
112
123
Com o aumento no volume de pasta, houve necessidade de correção na
quantidade de areia média para manter o volume de argamassa constante.
Após a determinação da quantidade de água e aditivo a ser adicionado a cada
um dos 11 traços de concreto, através do ensaio de trabalhabilidade, procedeu-se à
moldagem dos corpos de prova.
Tendo todas as proporções de cada traço definidas, foi pesada uma
quantidade de material suficiente para moldar 19 corpos de prova cilíndricos
(10x20 cm), sendo 12 deles para o ensaio de compressão axial, 4 para
carbonatação acelerada e 3 para carbonatação natural.
Na tabela 1A do anexo A, encontra-se a seqüência de moldagem dos corpos
de prova.
Para cada traço de concreto foi feito o ensaio de abatimento do tronco de
cone e também o tempo de remoldagem (VEBE), verificando-se a umidade e
temperatura ambiente e a temperatura do concreto no final da mistura. O
adensamento foi executado com mesa vibratória, e o concreto lançado no molde
em três tempos, aumentando a homogeneidade e a coesão da mistura.
Na última fase do experimento, fase final, deu-se o corte dos concretos com
disco diamantado, o acondicionamento dos mesmos para o processo de cura e os
ensaios propriamente ditos para a coleta dos resultados, tais como a resistência à
compressão axial, a carbonatação natural e acelerada, a alcalinidade e o teor de
hidróxido de cálcio remanescente.
Após a desmoldagem, todos os corpos de prova foram identificados e
colocados na câmara úmida, com temperatura e umidade controladas. Os
concretos destinados ao ensaio de compressão axial permaneceram nesta câmara
até as idades de rompimento (7, 28, 91 e 182 dias), enquanto que os demais, em
número de sete para cada traço, foram retirados da câmara aos 7 dias e serrados ao
meio, resultando em corpos de prova cilíndricos de 10x10 cm.
Depois de serrados, os corpos de prova foram deixados ao ar, em ambiente
do laboratório, até as idades de ensaio. As séries destinadas ao ensaio de
carbonatação acelerada tiveram pré-cura ao ar de 28 e 91 dias, quando então
foram acondicionados na câmara climatizada para o ensaio acelerado,
permanecendo nesta por 4, 8, 12 e 16 semanas. As séries destinadas ao ensaio de
carbonatação natural foram deixadas ao ar até as idades de ensaio: 182 dias, 1, 2,
3, 4 e 5 anos.
A figura 3.1, a seguir, ilustra o esquema de cura para o ensaio de
carbonatação acelerada.
CURA 91 DIAS
E1
13
CURA 28 DIAS
E1
E2
17
E3
E2
E3
E4
21
25
29
SEMANAS
E4
CURA ÚMIDA
CURA AO AR
CARBONATAÇÃO
1
4
8
12
16
20 SEMANAS
FIGURA 3.1- Esquema de cura para o ensaio de carbonatação acelerada.
A câmara climatizada tem a função de acelerar a carbonatação do concreto
em um ambiente que propicia este processo pelo aumento da concentração de
CO2.
De acordo com HO & LEWIS (1987), cada semana na câmara de
carbonatação equivale, aproximadamente, a 12 meses de exposição normal
(câmara com 4% CO2, 50% UR e 23°C). Outro estudo, como o de DHIR,
HEWLETT & CHAN (1989), estabelece que cada semana em processo acelerado
corresponde a 15 meses de exposição normal (câmara com 4% CO2, 50% UR e
20°C).
A umidade ótima dentro desta câmara, entre 50% e 80%, foi controlada
mediante a utilização de recipientes com sílica gel, que absorve parte da umidade
do interior da câmara. A temperatura manteve-se sempre em torno de 23oC ± 3oC.
Para este trabalho, a concentração de CO2 na câmara foi de 10% do volume
da mesma. Foram realizadas recargas diárias de CO2 na câmara, retirando-se parte
do ar do seu interior através de vácuo, e injetando-se o mesmo volume de gás.
Controlou-se o teor de CO2 através da coleta periódica de amostras de solução
para ensaios químicos. Os resultados ficaram sempre na média de 10% de CO2.
Abaixo, nas figuras 3.2 e 3.3, enconta-se a câmara de carbonatação utilizada para
os ensaios.
FIGURA 3.2 - Câmara de carbonatação fechada
FIGURA 3.3 - Câmara de carbonatação aberta
Para o complemento do trabalho de pesquisa, realizaram-se os ensaios de
compressão axial, carbonatação, pH e teor de CH.
O ensaio de resistência à compressão axial, segundo a norma NBR 5738,
teve por objetivo inter-relacionar a resistência dos concretos com as demais
propriedades a serem avaliadas, em especial a carbonatação.
Neste ensaio, os corpos de prova eram retirados da câmara úmida nas idades
de 7, 28, 91 e 182 dias da moldagem. Após, faziam-se as leituras dos diâmetros
para o cálculo da área e o capeamento das superfícies com enxofre. Procedeu-se
ao rompimento logo em seguida e sempre com três corpos de prova para cada
mistura, idade e relação a/ag.
No ensaio de carbonatação acelerada, os corpos de prova eram retirados da
câmara climatizada e rompidos por compressão diametral. Após, determinava-se a
profundidade carbonatada através do uso de indicador químico, ou seja, da
aspersão da solução composta de 70% de álcool absoluto, 29% de água destilada e
1% de fenolftaleína sobre a superfície do concreto.
Esta solução possui ponto de viragem conhecido, onde ocorre a mudança do
pH. Visualmente era possível definir a cor violeta, caracterizando um pH alto e
uma faixa incolor, onde o pH encontrava-se abaixo de 9. Esta região incolor, a
partir da superfície, indicava o concreto carbonatado e era medida com
paquímetro digital.
O mesmo procedimento foi realizado para o ensaio de carbonatação natural.
Abaixo, nas figuras 3.4 e 3.5, pode-se ver dois exemplos de corpos de prova
carbonatados, com adição de cinza volante.
FIGURA 3.4 - Cinza Volante (25%)-17 semanas e relação a/ag = 0,55
FIGURA 3.5- Cinza Volante (50%)-17 semanas e relação a/ag = 0,55
O ensaio de alcalinidade (pH) foi realizado para o período de pré-cura ao ar
dos concretos de 91 dias. Na idade determinada para o ensaio de carbonatação
acelerada e após a leitura da profundidade carbonatada, fazia-se a extração com
furadeira de 50g de pó de cada metade dos corpos de prova (10x10cm), com
profundidade de 1,5cm a partir da superfície lateral. A verificação do pH da
solução aquosa foi determinada conforme técnica descrita por AL-AMOUDI,
RASHEEDUZZAFAR & MASLEHUDDIN (1991).
O ensaio de teor de hidróxido de cálcio da pasta endurecida não-carbonatada
também foi feito na idade de 91 dias para todas as misturas. Pesou-se material
suficiente para a moldagem de dois corpos de prova (3x5)cm para cada traço.
Após, foram moldados com as mesmas relações a/ag dos traços em concreto. A
desmoldagem ocorreu depois de 24 horas e em seguida foram colocados imersos
em água com cal a fim de manter o meio alcalino e a hidratação por 91 dias.
Nesta idade, interrompeu-se o processo de hidratação através da secagem em
estufa a 110 oC. Com as amostras secas, procedeu-se à pulverização da pasta para
a extração de 1g na peneira #0,075mm. Após a coleta do pó, foi realizada a
lavagem com etanol e novamente a secagem em estufa a 110º C. Com as amostras
prontas, as mesmas foram encaminhadas para o ensaio químico.
3.4 Proporcionamento das pozolanas
A dosagem das pozolanas nos concretos deu-se em dois níveis de substituição de
igual massa de cimento: normal e alto.
Considerou-se como nível normal as taxas de substituição geralmente empregadas
em pesquisas e mesmo em obras, segundo relatos da literatura. É de consenso
geral, até o presente momento, que taxas normais são aquelas que propiciam
resultados adequados, com bom desempenho quanto à durabilidade e à resistência
dos concretos.
Com a finalidade de verificar-se o efeito de dosagens elevadas de pozolanas,
principalmente sobre a durabilidade dos concretos ensaiados, em especial ao
fenômeno da carbonatação, considerou-se como altos teores de substituição o
dobro dos níveis normais, tanto para as misturas binárias quanto ternárias.
Adotou-se para a pesquisa experimental o uso conjugado, em misturas ternárias,
da cinza volante com a sílica ativa ou cinza de casca de arroz, pelo efeito benéfico
que apresentam estas duas últimas pozolanas, mais ativas nos primeiros períodos,
com aquela de atividade mais tardia, após os 28 dias, conforme relatado por
MEHTA (1992).
Assim, no plano do trabalho, estudaram-se 11 misturas, sendo 10 de pozolanas e 1
sem pozolana, tomada como referência. Na tabela 3.2, a seguir, encontram-se os
teores de pozolanas investigados, calculados a partir da massa de cimento.
TABELA 3.2 - Teores de pozolanas estudados no plano da pesquisa.
POZOLANAS
NORMAL
ALTO
Cinza volante (CV)
25%
50%
Sílica ativa (SA)
10%
20%
Cinza de casca de arroz(CCA)
25%
50%
CV + SA
15 + 10%
30 + 20%
CV + CCA
10 + 15%
20 + 30%
3.5 Dosagem dos concretos
Os concretos foram dosados pelo método experimental, buscando sempre a
melhor trabalhabilidade e coesão da mistura para as relações a/ag pretendidas,
bem como para os níveis de resistências desejados.
Utilizaram-se conceitos e procedimentos práticos determinados por HELENE
(1992) para a definição dos traços, como também algumas instruções básicas para
o proporcionamento de concreto de alto desempenho recomendados por MEHTA
& AITCIN (1990).
Como parâmetro constante em todos os traços, o volume de argamassa seca
foi fixado em 52%, como descrito anteriormente no item 3.3.
Para os níveis de resistência pretendidos, fixaram-se as relações a/ag em 0,35;
0,45 e 0,55, com proporções aglomerante: agregado de 1:2,5 ou 1:3,0; 1:4,5 e
1:6,0, respectivamente.
Portanto, como foram adotadas 11 misturas e 3 relações a/ag para o
experimento, o número de traços moldados foi de 33, sendo 3 para cada uma das
misturas de pozolanas.
Na dosagem dos traços, o teor de (água + aditivo)/(materiais secos) mantevese em uma média de 9,1% para as relações a/ag = 0,35, em 8,1% para a/ag = 0,45
e em 8,0% para a/ag = 0,55. A tabela 2A do anexo A apresenta as quantidades de
materiais por m3 de concreto empregadas na dosagem dos traços.
O teor de aditivo ficou entre 0,5% e 3,5% da massa de aglomerante para
teores normais de pozolanas e entre 1,5% e 6,0% para os teores elevados.
Foram realizados os seguintes ensaios e medições com o concreto fresco:
•
consistência pelo abatimento do tronco de cone – NBR 7223;
•
ensaio de tempo de remoldagem – VEBE – RILEM CPC 2.2;
•
temperatura e umidade relativa do ambiente;
•
temperatura interna do concreto ao final da mistura;
•
moldagem de corpos de prova cilíndricos (10 x 20) cm – NBR
5738.
Procurou-se manter a consistência do concreto constante para todos os traços, com
valores de referência no intervalo de 45 a 75 mm para o abatimento do tronco de
cone e tempo de remoldagem entre 2 e 6 segundos.
A tabela 3A do anexo A contém os resultados dos ensaios realizados com o
concreto fresco para os 33 traços executados.
3.6 Ensaios de caracterização dos materiais
3.6.1 Cimento
O aglomerante utilizado na pesquisa foi o cimento Portland de alta resitência
inicial, tipo V – ARI conforme EB-NBR 5733. Esse cimento apresenta teores de
calcário e argila diferenciados na produção do clínquer, bem como uma moagem
mais fina, que, ao reagir com a água, adquire elevadas resistências em idades
menores.
Os ensaios para caracterizar o cimento foram os seguintes:
•
finura #0,075 mm – NBR 11579;
•
finura #0,045 mm – NBR 9202;
•
curva granulométrica – granulômetro laser (ABCP);
•
superfície específica – NBR 7224;
•
massa específica – NBR 6474;
•
tempo de pega – NBR 11581;
•
água da pasta de consistência normal – NBR 11580;
•
resistência à compressão da argamassa normal – NBR 7215;
•
análise química – NBR 5743, 5744, 5745, 5747, 7227 e 9203;
•
análise por difração de raios X.
A tabela 3.3 apresenta os resultados dos ensaios físicos e mecânicos. O
ensaio da distribuição granulométrica das partículas do cimento e pozolanas foi
realizado por granulômetro de difração a laser, e os resultados são mostrados na
tabela 3.4 e figura 3.6.
TABELA 3.3 - Características físico-mecânicas do cimento.
IDADE (dias)
fc (MPa)
1
14,2
3
32,0
7
45,5
28
58,9
ENSAIOS
RESULTADOS
Início de pega-min
215
Fim de pega-min
290
Resíduo # 0,075 mm (%)
0,28
Resíduo # 0,045 mm (%)
1,80
Superfície específica – BLAINE(m2/kg)
463
Massa específica (kg/dm3)
3,14
TABELA 3.4 - Composição granulométrica do cimento e pozolanas (% passante).
DIÂMETRO (µm)
CIMENTO
CV
SA
CCA
1
9,82
2,84
1,55
3,82
5
37,85
12,04
13,81
37,12
10
56,24
24,73
40,19
65,79
20
81,58
45,84
90,69
95,44
40
99,70
75,41
100,0
100,0
60
100,0
90,48
100,0
100,0
80
100,0
96,81
100,0
100,0
100
100,0
99,16
100,0
100,0
130
100,0
99,69
100,0
100,0
FIGURA 3.6 - Distribuição granulométrica do cimento e pozolanas
Na análise desta distribuição, constatam-se características concordantes do
cimento, da CV e da CCA com os demais ensaios físicos, como também com o
encontrado na literatura. A sílica ativa apresentou resultados inconsistentes,
principalmente para o diâmetro médio, com valor de 11,72 µm, sendo que o valor
médio para este material está ao redor de 0,1 µm. Neste ensaio com a sílica ativa,
conforme relatório da ABCP, foram tomados todos os cuidados adicionais para
precaver-se da aglutinação das partículas, como o uso de defloculantes e dispersão
por ultrassom durante a medição. Apesar disto, os diâmetros abaixo dos quais
encontram-se 90% das partículas foram menores do que os do cimento.
Na tabela 3.5 estão os valores de dimensão média e a equivalente a 90% de
partículas passantes, para os quatro materiais.
TABELA 3.5- Parâmetros da curva granulométrica
Material
Dimensão média
Diâmetro abaixo do qual encontram-se 90% das
(µm)
partículas (µm)
9,10
25,02
22,25
59,07
6,89
16,96
11,72
19,76
Cimento
CV
CCA
SA
Observa-se, através dos valores da tabela 3.5 e da figura 3.6, que a CV
apresenta partículas mais grossas que os outros materiais, com ∅m = 22,25 µm,
enquanto que a CCA com ∅m = 6,89 µm, situa-se como a pozolana mais fina.
A tabela 3.6 mostra a composição química do cimento – ARI e das pozolanas
utilizadas.
TABELA 3.6 - Composição química do cimento e pozolanas (% em massa).
Componentes
Perda fogo
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
Cimento
1,94
20,27
4,64
3,36
60,86
C. Volante
1,00
65,50
25,89
3,15
0,34
C.C. Arroz Sílica Ativa
2,83
3,32
92,24
94,46
0,25
0,15
0,59
0,14
0,78
0,62
MgO
SO3
Na2O
K2O
Res. Ins.
CaO livre
Total
3,66
2,69
0,09
0,85
0,37
1,09
98,36
1,53
*
0,21
1,98
*
*
99,60
0,48
*
0,03
2,12
*
*
99,,32
0,76
*
0,29
0,,92
*
*
100,66
* não determinado
Nos resultados da análise química, mostrados na tabela 3.6, pode-se
verificar que o cimento está de acordo com a norma NBR 5733 para o cimento
Portland de alta resitência inicial, com resíduo insolúvel ≤ 1,0% e perda ao fogo ≤
4,5%.
A cinza volante apresenta composição sílico-aluminosa, com teores de
SiO2 e Al2O3 de 65,50% e 25,89%, respectivamente. Estes componentes estão
dentro da faixa de variação das cinzas volantes nacionais, com SiO2 de 55% a
69% e Al2O3 de 20 a 29%.
O componente químico principal da SA e da CCA é o dióxido de silício
(SiO2), com valores de 94,46% e 92,24%, respectivamente. A perda ao fogo ficou
abaixo de 5% para as duas pozolanas, contribuindo para o bom desempenho do
concreto fresco e endurecido, devido ao aumento do teor de sílica que
praticamente comanda o comportamento pozolânico destes materiais.
Na figura 3.7 pode-se visualizar o difratograma de raios X do cimento ARI
utilizado no experimento.
FIGURA 3.7-Difratograma de raios X do cimento ARI.
3.6.2 Pozolanas
As pozolanas utilizadas na pesquisa tiveram a seguinte procedência:
•
cinza volante: indústria Riocell (Guaíba/RS);
•
sílica ativa: do tipo não-densificada, de fornecedor nacional;
•
cinza de casca de arroz: proveniente da queima não-controlada da
casca de arroz em engenho da região.
Os ensaios para a caracterização das pozolanas foram os seguintes:
•
atividade pozolânica com cimento – NBR 5752;
•
atividade pozolânica em CP pozolânico – NBR 5753 – ensaio
Fratini;
•
finura #0,075 mm – NBR 11579;
•
finura #0,045 mm – NBR 9202;
•
curva granulométrica – granulômetro laser (ABCP);
•
superfície específica – BET – ASTM D-3663;
•
massa específica – NBR 6474;
•
análise química – NBR 5743, 5744, 5745, 5747, 7227 e 9203;
•
análise por difração de raios X.
A análise dos resultados de caracterização dos materiais contribuiu para elucidar
os questionamentos inicialmente propostos para o trabalho, pois, através das
características dos materiais finos como a finura na #0,045 mm, as curvas
granulométricas, a atividade pozolânica, a análise química e os difratogramas de
raios X, e inter-relacionando-as com os resultados de resistência à compressão e
carbonatação, foi possível chegar às conclusões da pesquisa.
A tabela 3.7 mostra as características físicas das pozolanas e a tabela 3.8 a
atividade pozolânica com cimento – NBR 5752.
TABELA 3.7 - Características físicas das pozolanas.
ENSAIOS
CV
SA
CCA
Resíduo #0,075 mm (%)
2,11
nd.
3,00
Resíduo # 0,045 mm (%)
13,20
1,00
0,20
Superfície específica – m2/g (BET)
1,5
17,2
18,9
Superfície específica – m2/ Kg (Blaine)
391
nd.
nd.
Massa específica – Kg/dm3
2,19
2,15
2,16
TABELA 3.8 - Atividade pozolânica com cimento – NBR 5752.
CIMENTO
CV
SA
CCA
(%) água p/ consistência normal
100
108
150
110
*pozolanicidade com cimento(%)
100
77
60
92
* % da resistência à compressão relativa ao cimento de referência.
A finura dos materiais cimentícios apresentou coerência de resultados, como
pode-se observar através das tabelas 3.7 e 3.8. A cinza volante contém partículas
mais grossas, com resíduo de 13,2% na #45 µm, enquanto que a cinza de casca de
arroz e a sílica ativa tiveram os menores resíduos 0,2% e 1,0%, respectivamente,
confirmando a elevada finura destas pozolanas.
Os resultados da superfície específica-BET também ratificam este
comportamento, onde nota-se que a SA e a CCA apresentam valores elevados,
17,2 e 18,9 m2/g, respectivamente, quando comparados com o cimento e a cinza
volante, 1,5 m2/g.
Devido a estes resultados, bem como com o desenvolvimento das
resistências, observa-se uma grande relação existente no comportamento dos
quatro materiais, no que diz respeito ao efeito que as características físicas causam
sobre as propriedades do concreto, tanto no estado fresco quanto endurecido.
O cimento ARI apresentou valor de superfície específica Blaine compatível
com a média dos cimentos de alta resistência inicial nacionais (valor médio de 463
m2/kg), enquanto a cinza volante ficou com valor abaixo, de 391 m2/kg,
evidenciando sua menor finura, conseqüência de suas partículas mais grossas.
Os valores da massa específica, mostrados na tabela 3.3 e 3.7, confirmam a
baixa densidade das pozolanas em comparação com o cimento, sendo não mais do
que 70% deste. Este efeito se traduziu no aumento do volume de pasta e,
conseqüentemente, no de argamassa, sendo necessária a correção dos traços do
concreto, conforme descrito no item 3.3.
A tabela 3.9 e a figura 3.8 apresentam o ensaio de Fratini realizado na ABCP
em São Paulo.
TABELA 3.9 - Atividade pozolânica com cimento – NBR 5753 (Fratini).
Nº da
mistura
Tipo da mistura
1
Atividade Pozolânica
Dist.
Índice
mmol CaO/l
mmol OH-/l
d(cm) Ativ. Pozol.
REF
8,2
61,0
6,3
15,9
2
SA(10%)
5,6
49,4
4,75
21,1
3
SA(20%)
4,0
40,4
4,20
23,8
4
CV(25%)
4,2
50,0
4,80
20,8
5
CV(50%)
2,7
39,5
3,85
26,0
6
CCA(25%)
4,1
40,2
4,15
24,1
7
CCA(50%)
2,5
6,6
1,10
91,0
8
CV+SA(15+10)%
7,0
38,9
4,25
23,5
9
CV+SA(30+20)%
7,9
28,2
3,85
26,0
10
CV+CCA(10+15)%
4,3
45,2
4,70
21,3
11
CV+CCA(20+30)%
1,1
24,0
2,35
42,6
o
ISOTERMA DE SOLUBILIDADE DE Ca(OH) a 40 C, em presença de álcalis
50
60
70
80
90
100
110
120
Teor de CaO na solução com a pasta de cimento (mmol CaO/l)
2
18
40
130
16
14
12
CIMENTO NÃO POZOLÂNICO
10
8
1
9
8
6
2
6
4
10
3
4
5
2
0
7
CIMENTO POZOLÂNICO
11
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Alcalinidade total da solução em contato com a pasta de cimento (mmol OH/l)
1 - TR
2 - SA (10%)
3 - SA (20%)
4 - CV (25%)
5 - CV (50%)
6 - CCA (25%)
7 - CCA (50%)
8 - CV+ SA (15 + 10)%
9 - CV + SA (30 + 20)%
10 - CV + CCA (10 + 15)%
11 - CV+ CCA (20 + 30)%
FIGURA 3.8 - Diagrama de pozolanicidade, ilustrando o teor de CaO em função
da alcalinidade total.
Nos resultados de atividade pozolânica com cimento pelo método Fratini,
observa-se que houve uma redução na concentração de CaO presente na solução,
em função do teor da adição, como também da natureza do material adicionado.
Na tabela 3.9 e na figura 3.9 a seguir, pode-se visualizar melhor este
comportamento, com exceção da mistura CV+SA (30+20)% que, ao invés de
apresentar descrécimo na quantidade de CaO consumido, como as demais
misturas com altos teores, mostra aumento de 0,9 mmol CaO/l.
Atividade pozolânica
mmol CaO consumido
10
8
1-SA
2-CV
3-CCA
4-CV+SA
5-CV+CCA
4
6
1
4
2
3
5
2
0
0
20
40
60
% Pozolanas
FIGURA 3.9- Atividade Pozolânica (Fratini) – mmol CaO consumido.
Pelo gráfico, nota-se que as misturas binárias com cinza volante e com
cinza de casca de arroz e a mistura ternária com CV + CCA apresentaram menor
reserva alcalina para a solução dos poros, principalmente para os altos teores,
indicando que estas misturas consumiram mais hidróxido de cálcio através das
reações pozolânicas, estando disponível uma quantidade menor para as reações de
carbonatação.
Através do índice de atividade pozolânica (IAP), mostrado na tabela 3.9 e
calculado em função do gráfico da figura 3.8, pode-se verificar que, quanto maior
este índice, maior é a atividade pozolânica da mistura considerada,
proporcionando maior consumo de hidróxido de cálcio e menor alcalinidade total.
Este índice, IAP, representa o inverso da distância (d), em cm, que separa
os pontos do gráfico com a origem das coordenadas, multiplicado por 100.
Portanto, confirmando o que ilustra a figura 3.9, os maiores valores ficaram com
as misturas de CV (50%), CCA (50%) e CV+CCA (20+30)%.
Os difratogramas de raios X mostrados na figura 3.10 apresentam os
principais minerais detectados no ensaio, para as três pozolanas utilizadas na
pesquisa. A SA apresentou-se amorfa; os minerais quartzo, hematita e mulita
foram encontrados para a CV; e, para a CCA , os minerais quartzo e cristobalita.
FIGURA 3.10 – Difratogramas de raios X das pozolanas.
3.6.3 Agregados
Como agregado miúdo foi utilizada areia de rio, natural e quartzoza,
proveniente do rio Vacacaí, lavada, peneirada na #6,3 mm e seca em estufa,
conforme procedimentos descritos no item 3.3.
Para o agregado graúdo, empregou-se pedra britada basáltica, previamente
lavada e peneirada, bem como a que apresentou o melhor coeficiente de forma dos
grãos.
Foram realizados os seguintes ensaios:
•
composição granulométrica – NBR 7217;
•
massa específica do agregado miúdo – NBR 9776;
•
massa específica e absorção do agregado graúdo – NBR 9937;
•
massa unitária solta – NBR 7251;
•
índice de forma por paquímetro – NBR 7809.
A tabela 3.10 apresenta os resultados dos ensaios de caracterização e a
figura 3.11 a curva granulométrica dos agregados.
TABELA 3.10 - Características físicas dos agregados.
PENEIRAS (mm)
12,5
9,5
6,3
4,8
2,4
1,2
0,6
0,3
0,15
Módulo de finura
Dim. Máx. Caract. (mm)
Massa específica (kg/dm3)
Massa unitária (kg/dm3)
Absorção de água (%)
Índice de forma
BRITA (%)
55
91
100
100
100
100
100
100
100
6,91
19,00
2,46
1,32
3,01
2,73
AREIA MÉDIA (%)
2
4
21
62
92
1,81
1,20
2,61
-
% retida acumulada em massa
120
1- Brita
2- Areia média
100
80
1
60
40
19 mm
12,5 mm
9,5 mm
6,3 mm
4,8 mm
2,4 mm
1,2 mm
0,3 mm
0,15 mm
0
0,6 mm
2
20
Abertura das peneiras
FIGURA 3.11- Composição granulométrica dos agregados.
Quanto aos resultados da distribuição granulométrica dos agregados, de
acordo com a tabela 3.10 e figura 3.11, observam-se curvas mais inclinadas,
favorecendo uma granulometria contínua, tanto para a brita quanto para a areia
média fina, proporcionando melhor consistência e trabalhabilidade para o
concreto.
Com relação à forma dos grãos, o índice de forma de 2,73 para o agregado
graúdo mostra-se dentro do especificado pela NBR 7211, que não deve ser
superior a 3,00.
3.6.4 Aditivo
O aditivo utilizado no experimento foi um superplastificante de pega normal, à
base de naftaleno, do tipo F da ASTM C494. O teor de sólidos foi 32,5%, a
densidade 1,18 kg/dm3 e o pH= 7,68.
3.7 Ensaio realizado com a pasta
3.7.1 Teor de hidróxido de cálcio remanescente (CH)
O ensaio de teor de hidróxido de cálcio foi realizado aos 91 dias de idade para a
pasta não-carbonatada. Nesta idade, interrompeu-se a hidratação da pasta através
da pulverização, peneiramento na #0,075 mm, lavagem com etanol e secagem em
estufa a 110º C, conforme descrito no item 3.3.
Os resultados do ensaio químico para determinação de hidróxido de cálcio
livre pelo etilenoglicol – NBR 7227 encontram-se na tabela 4A do anexo A.
3.8 Ensaios realizados com o concreto
3.8.1 Resistência à compressão axial
Para este ensaio, foram moldados corpos de prova cilíndricos (10 x 20 cm) e
rompidos nas idades de 7, 28, 91 e 182 dias, segundo a NBR 5738.
A resistência mecânica foi um dos critérios escolhidos para se avaliar o
desempenho dos concretos com relação à propriedade de carbonatação.
Os resultados dos ensaios de compressão axial estão na tabela 6A do anexo
A.
3.8.2 Carbonatação acelerada e natural
O ensaio de carbonatação deu-se de duas maneiras, acelerada e natural. Para o
ensaio acelerado, conforme descrição de LEVY (1992), os concretos tiveram précura ao ar de 28 e 91 dias de acordo com esquema de cura (figura 3.1), quando
então foram colocados na câmara de carbonatação com 10% de CO2 em volume.
As leituras da profundidade carbonatada foram feitas com 4, 8, 12 e 16 semanas,
com aspersão de solução de fenolftaleína a 1%.
Para o ensaio natural, os concretos foram dispostos ao ar ambiente do laboratório
por um período de 1/2, 1, 2, 3, 4 e 5 anos. As leituras dos 180 dias e do 1º ano já
foram realizadas, enquanto as demais serão divulgadas em relatórios futuros.
Os resultados das profundidades de carbonatação estão na tabela 7A do anexo
A.
3.8.3 Alcalinidade (pH)
A determinação da alcalinidade do concreto foi realizada com os corpos de prova
curados por 91 dias e submetidos à carbonatação acelerada. Este ensaio foi
executado
conforme
técnica
AL-AMOUDI,
RASHEEDUZZAFAR
&
MASLEHUDDIN (1991).
Na tabela 10A do anexo A encontram-se os valores medidos do pH dos concretos
para as diferentes misturas.
CAPÍTULO IV – ANÁLISE DOS RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 Introdução
Para se obter as conclusões do trabalho, foi realizada análise dos dados
referentes aos ensaios com a pasta e com os concretos, passando por um
tratamento estatístico e, em seguida, a obtenção dos gráficos para a ilustração dos
resultados mais expressivos que fundamentaram a discussão com outros estudos e
pesquisas.
Neste experimento, procurou-se dar ênfase à interpretação macroestrutural,
permeando o objetivo principal da pesquisa, que foi a influência das pozolanas
sobre a carbonatação dos concretos.
A análise de alguns ensaios, como a atividade pozolânica (Fratini), a difração
de raios X, o teor de hidróxido de cálcio e a alcalinidade possibilitaram uma visão
do comportamento microestrutural da pasta e dos concretos, auxiliando na
elucidação dos questionamentos da pesquisa.
A resistência à compressão dos concretos apresenta-se como uma das
propriedades de maior importância para a análise e interpretação de experimentos,
pois através dela pode-se fazer comparações entre as misturas em uma
determinada idade, verificando o comportamento das demais propriedades,
relacionando-as entre si. Por isso, avaliam-se concretos em igualdade de
resistência à compressão.
Na pesquisa, adotou-se comparar os concretos com resistências de 60 MPa,
visto ser esta compatível com concreto de alto desempenho e também por estar em
uma faixa intermediária dos resultados obtidos.
Para a carbonatação acelerada, trabalhou-se com coeficientes em mm/
\R(semana)
EQ
, com períodos de permanência dos corpos de prova na câmara
climatizada de 4 em 4 semanas tanto para os 28 dias quanto para os 91 dias de
pré-cura ao ar.
A avaliação dos resultados teve por base, primeiramente, a interpretação dos
dados de resistência à compressão, carbonatação acelerada, teor de CH e
alcalinidade (pH). Após, foram feitas as análises estatísticas e a integração dos
resultados, usando-se gráficos e tabelas mostrando a relação existente entre as
variáveis principais da pesquisa.
Por fim, avaliaram-se os concretos em função da durabilidade com vistas à
carbonatação, contribuindo com discussões envolvendo a temática da pesquisa.
4.2 Análise dos resultados de resistência à compressão axial
Para a análise dos resultados de compressão axial, desenvolveu-se uma
interpretação dos dados através de tabelas e gráficos, visando ao comportamento
individual de cada mistura, bem como à influência entre os 33 traços de concreto
investigados.
Primeiramente, para os dados de resistência, calculou-se o desvio relativo
médio (dr) entre os valores para os 3 corpos de prova moldados para cada traço,
adotando para a resistência final a média aritmética dos resultados, quando dr (
5,0%. Para dr acima de 5,0%, adotou-se o maior valor, ou o que melhor se
adequava na curva de Abrams.
Assim, na tabela 6A do anexo A, encontram-se as resistências finais adotadas
para as idades de 7, 28, 91 e 182 dias para cada traço moldado.
No gráfico da figura 4.1, observa-se o desenvolvimento da resistência à
compressão com as relações a/ag para a idade dos 91 dias das 11 misturas
ensaiadas. Pelas curvas de Abrams, evidenciam-se resistências mais elevadas para
as misturas mais reativas, ou seja, para aquelas com maior refinamento dos poros
e dos grãos, obedecendo a uma ordem decrescente de valores, de SA, passando
para CCA e, por último, a CV.
Para a idade dos 28 dias, figura 4.2, o comportamento foi semelhante, com as
misturas ordenadas em função de sua reatividade, porém com resistências mais
baixas. A cinza volante, em particular, confirmou a tendência de ser menos reativa
em idades menores, quando comparados com outras pozolanas, como a sílica ativa
e a cinza de casca de arroz. Para resistência de 50 MPa, as relações a/ag da CV
(50%) foram 0,32 aos 28 dias e 0,43 aos 91 dias, mostrando a evolução da
resistência desta pozolana conforme a progressão da idade e a hidratação da pasta.
Tanto para as resistências aos 28 quanto aos 91 dias, as misturas ternárias de
CV+CCA apresentaram resultados mais baixos que o concreto de referência,
sendo o inverso para as misturas ternárias de CV+SA, evidenciando que o efeito
conjugado da CV (menos reativa) foi mais marcante com a CCA do que com a
SA.
Através da comparação entre as figuras 4.1 e 4.2, para resistência de 60 MPa,
também verifica-se a ordenação decrescente das relações a/ag em função da
reatividade das pozolanas. Na idade dos 91 dias, as relações a/ag variaram de 0,63
para a mistura com 20% de SA até 0,36 para 50% de CV; e na idade dos 28 dias,
de 0,55 para a mistura com 10% de SA até 0,33 para CV com 25%.
No anexo B, as figuras 1B e 2B mostram as curvas de Abrams para as idades
de 7 e 182 dias, respectivamente, ratificando este comportamento para as
misturas.
Alguns resultados de resistência à compressão, como verificado para a mistura
de CCA(25%) aos 91 dias, apresentaram valores mais baixos quando comparados
com as idades de 7 e 28 dias. Presume-se que isso possa estar relacionado com a
interferência dos álcalis em resistências de idades mais avançadas, ou também a
fatores inerentes ao ensaio, como irregularidades da superfície de capeamento ou
distorções na prensa.
4.3 Análise dos resultados de carbonatação acelerada
Os resultados do ensaio de carbonatação acelerada, mostrados na tabela 7A do
anexo A, indicam a profundidade carbonatada em milímetros dos corpos de prova
cilíndricos (10 x 10) cm, nas idades de pré-cura ao ar de 28 e 91 dias.
A figura 4.3 ilustra as profundidades de carbonatação acelerada medidas para
a idade dos 28 e 91 dias de pré-cura ao ar dos corpos de prova com relação a/ag de
0,45.
Para a mistura de referência, bem como para as misturas binárias de sílica
ativa, não foi detectada carbonatação que pudesse ser medida com paquímetro
digital.
Através da figura 4.3, observa-se que as misturas com teores normais
apresentaram valores abaixo de 0,8 cm para a idade de 29 semanas (16 semanas
na câmara), enquanto os altos teores variaram de 1,2 cm para a mistura ternária de
CV + SA (30+20)%, na idade de cura aos 28 dias, até 4,5 cm para a cinza volante
(50%), na idade de cura aos 91 dias.
A tendência para a maior profundidade de carbonatação com os altos teores
deve-se ao maior consumo de CH através das reações pozolânicas. Com isso, a
disponibilidade de CH para as reações de carbonatação é menor, tendo como
conseqüência o aumento da frente carbonatada.
10
3-S A (20% )
4-C V (25% )
5-C V (50% )
30
9
7 11 5
6-C C A (25% )
7-C C A (50% )
6
8
25
4 10
20
8-C V + S A (15+ 10)%
9-C V + S A (30+ 20)%
10-C V + C C A (10+ 15)%
15
11-C V + C C A (20+ 30)%
2 8 d ia s
9 1 d ia s
10
1, 2, 3
9 5 7 11
5
0 ,1
1
10
100
P ro fu n d id a d e(m m )
FIGURA 4.3- Profundidade carbonatada das 11 misturas investigadas na idade
de 28 e 91 dias de pré-cura ao ar, para relação a/ag = 0,45.
Idade(semanas)
6 8 4
1- R EF
2-S A (10% )
Observa-se ainda nesta figura 4.3 que as menores profundidades de
carbonatação, para a relação a/ag = 0,45, tanto para os altos quanto para os baixos
teores de pozolanas, ocorreram para as misturas binária de CCA e ternária de (CV
+ SA).
Todas as misturas carbonataram mais que o concreto de referência, com
exceção das misturas binárias de sílica ativa.
Como pode-se observar nesta figura 4.3, o comportamento foi semelhante para
as leituras de carbonatação na idade dos 91 dias, para mesma relação a/ag, onde a
ordem das misturas permaneceu igual para os baixos teores, apenas com
profundidades mais elevadas.
O desenvolvimento da carbonatação acelerada dos concretos também pode ser
acompanhado mediante a utilização do coeficiente de carbonatação, que indica a
profundidade carbonatada num determinado tempo, sendo expresso nesta pesquisa
em mm/
EQ \R(semana.)
Este coeficiente é calculado pela expressão:
x = K. t
onde: x = prof. de carbonatação em mm
K= coef. de carbonatação em mm/ semana
t = tempo de exposição ao CO2 em semana
Em função das idades de leitura em
EQ \R(semana)
da carbonatação
acelerada ((8, (12, (16 e (20 para os 28 dias; e (17, (21, (25 e (29 para os 91 dias)
e das profundidades de carbonatação acelerada em mm (tabela 7A), foi possível,
através de regressão linear simples, encontrar-se os valores dos coeficientes de
carbonatação acelerada em mm/
EQ \R(semana)
para cada uma das misturas e
relacões a/ag.
Os valores dos coeficientes de carbonatação acelerada para as resistências de
50, 60 e 70 MPa foram calculados a partir das relações a/ag e dos coeficientes
definidos anteriormente, aplicando-se uma regressão de potência com equação: y
= A ( xB , onde “x” é a relação a/ag obtida da curva de Abrams para as três
resistências pretendidas e os valores de A e B as constantes da regressão.
Nas tabelas 8A e
9A do anexo A, encontram-se os coeficientes de
carbonatação acelerada para os 28 e 91 dias de pré-cura ao ar dos concretos,
respectivamente, e também os coeficientes para as resistências de 50, 60 e 70MPa.
Para as misturas binárias de SA, também foram realizados ensaios com
relação a/ag de 0,65, e a partir dos resultados das profundidades de carbonatação
calculou-se os coeficientes, auxiliando para obtenção de mais dados para a
equação de regressão.
Observou-se para algumas misturas, tanto aos 28 dias quanto aos 91 dias de
pré-cura ao ar, baixas profundidades de carbonatação acelerada, próximas a zero,
o que proporcionou coeficientes também quase nulos. Em razão disso, optou-se
por atribuir coeficientes de carbonatação muito baixos (tabelas 8A e 9A), da
ordem de alguns décimos, com a finalidade de possibilitar a aplicação da
regressão com no mínimo três pontos.
O coeficiente de carbonatação em relação ao tipo e teor de pozolana, para as
misturas binárias e ternárias, e para resistência de 60 MPa, pode ser visualizado na
figura 4.4, abaixo.
FIGURA 4.4- Relação entre coeficiente de carbonatação com o tipo e teor de
pozolana, para resistência de 60 MPa.
O coeficiente de carbonatação aumentou à medida que cresceu o teor de
pozolana na mistura, mostrando também que este incremento foi dependente da
reatividade de cada pozolana.
Pelo gráfico da figura 4.4, observa-se também que as misturas ternárias
apresentaram retas mais inclinadas, com maior carbonatação para os altos teores,
mostrando que a ação conjunta da cinza volante com sílica ativa ou cinza de casca
de arroz aumentou o consumo de CH, induzindo a um incremento na velocidade
de carbonatação.
4.4 Análise dos resultados do teor de hidróxido de cálcio (CH)
O teor de hidróxido de cálcio remanescente para as diversas misturas na idade
de 91 dias encontra-se na tabela 4A do anexo A. O gráfico da figura 4.5 mostra o
conteúdo de CH nesta idade para as três relações a/ag estudadas no experimento.
Nota-se, na figura 4.5, que o maior consumo de CH aconteceu para os altos
teores de pozolanas, principalmente para as misturas ternárias com SA e CCA,
enquanto que o menor consumo foi para o traço de referência, pois neste não
ocorrem as reações pozolânicas, e, portanto, implica em maior quantidade de CH
disponível para as reações de carbonatação.
Observa-se, também, a tendência de maior consumo de CH para as pozolanas
mais reativas, como a SA e a CCA, tanto para os baixos quanto para os altos
teores, ao passo que a cinza volante apresenta maior disponibilidade de CH aos 91
dias.
A figura 4.6 mostra a relação entre o coeficiente de carbonatação (tabela 9A) e
o teor de hidróxido de cálcio remanescente aos 91 dias (tabela 5A) para todas as
misturas, observando-se uma quantidade maior de CH disponível para os baixos
teores, representados pela região A, enquanto na região B para os altos teores de
pozolanas, o consumo de CH foi mais elevado, sendo responsável pelo incremento
na carbonatação.
6,00
1
5,00
% Hidróxido de Cálcio (CH)
8
2
4
4,00
3
A
6
10
3,00
2,00
1,00
0,00
0,10
1 REF
2 SA (10% )
3 SA (20% )
4 C V (25% )
5 C V (50% )
6 C CA (25% )
7 C CA (50% )
8 C V + SA (15+10)%
9 C V + SA (30+20)%
10 C V + C C A (10+15)%
11 C V + C C A (20+30)%
5
B
7
11
1,00
10,00
9
100,00
C oeficiente de C arbonatação - K c ( m m / √ sem ana )
FIGURA 4.6 - Correlação entre coeficiente de carbonatação para os 91 dias e
teor de hidróxido de cálcio da pasta não carbonatada aos 91 dias,
para fc= 60 MPa.
A figura 4.6 confirma a tendência das reações pozolânicas consumirem maior
quantidade de CH na medida em que cresce o teor de pozolana no traço. Com
relação aos coeficientes de carbonatação, nota-se um aumento significativo para
os altos teores (região B), em comparação com os baixos teores (região A),
justificados também pelo decréscimo na proporção de CH na pasta aos 91 dias.
Relacionando as misturas pozolânicas com o cimento ARI (mistura 1), verifica-se
neste último que a elevada reserva alcalina resultou num baixo coeficiente de
carbonatação, devido à menor velocidade de difusão do CO2 na solução dos poros
quando a concentração de CH é mais elevada, pois necessita primeiro rebaixar o
pH para depois reagir com todo o hidróxido de cálcio presente e então seguir
penetrando e precipitando o carbonato de cálcio.
Já nas misturas com pozolanas, apesar do efeito físico de redução da
permeabilidade do concreto, prepondera o fator de menor reserva alcalina e, como
conseqüência, a maior facilidade de carbonatação quando comparado com
misturas somente com cimento Portland.
Como a atividade pozolânica e a quantidade de adições foram os fatores mais
influentes sobre a carbonatação dos concretos neste experimento, cabe entender
um pouco mais a relação entre a pozolanicidade, o teor de CH e a carbonatação.
Fazendo uma comparação entre a figura 4.6 e a atividade pozolânica no ensaio
de Fratini, tabela 3.9 e figura 3.8, visualiza-se um comportamento semelhante para
os concretos. As misturas mais reativas proporcionaram menor reserva alcalina
para a solução dos poros, como, por exemplo, com os altos teores: misturas 7
(IAP=91,0) e 11 (IAP=42,6), e, para os baixos teores: misturas 6 (IAP=24,1) e 10
(IAP=21,3), propiciando maior carbonatação devido ao consumo mais elevado de
CH pelas reacões pozolânicas. Esta situação indica, portanto, uma aproximação
coerente entre o teor de CH e a quantidade de mmol CaO/l para a maioria das
misturas.
Cabe também fazer referência ao bom desempenho da mistura de CV (50%),
que apresentou o menor coeficiente de carbonatação para os altos teores, bem
como um menor consumo de CH quando comparada com as misturas 7, 9 e 11.
4.5 Análise dos resultados de alcalinidade (pH)
A determinação da alcalinidade (pH) dos concretos, nesta pesquisa, teve por
objetivo balisar os efeitos do avanço da carbonatação a partir da superfície,
procurando mostrar, através do índice de pH, o comportamento das diferentes
misturas em função da espessura carbonatada.
Com este objetivo, ilustram-se na figura 4.7 os níveis de pH para todos os
traços em relação às idades de leitura da carbonatação acelerada, para a cura aos
91 dias e resistência de 60 MPa.
14
2
4
13
10
1
1-REF
pH
12
2-SA(10%)
11
11
6
5
10
8
9
3
8
7
3-SA(20%)
4-CV(25%)
5-CV(50%)
6-CCA(25%)
7-CCA(50%)
8-CV+SA(15+10)%
9-CV+SA(30+20)%
10-CV+CCA(10+15)%
7
11-CV+CCA(20+30)%
kpH
6
9
5
13
17
21
25
29
33
Idade (semanas)
FIGURA 4.7 - Relação entre a alcalinidade (pH) e a idade de permanência na
câmara acelerada, para a cura aos 91 dias e fc=60 MPa.
Analisando o gráfico acima, observa-se a diminuição do pH para todos os
concretos à medida que aumenta a idade de leitura de 17 para 29 semanas de
carbonatação acelerada.
De um modo geral, as misturas ímpares 3, 7 e 9, com exceção da 11, foram as
que apresentaram os menores índices de pH, confirmando a tendência de maior
carbonatação e, conseqüentemente, menor alcalinidade para os altos teores de
pozolanas.
Para a análise dos resultados da alcalinidade (pH), foi necessário também,
como feito para a carbonatação, um trabalho estatístico dos dados brutos, obtendo
os coeficientes de alcalinidade kpH em pH/
EQ \R(semana)
. Este coeficiente
é negativo e indica a velocidade de queda do pH na medida em que ocorre a
carbonatação dos concretos (kpH = ângulo com o eixo das abcissas). Eles são
mostrados na tabela 10A e calculados novamente para a resistência de 60 MPa na
tabela 11A do anexo A.
Para as misturas com baixos teores, as retas são menos inclinadas, mostrando
que a perda da alcalinidade foi menor quando houve uma diminuição no teor de
pozolana no traço. Analisando as inclinações das retas através dos valores do
coeficiente de alcalinidade (kpH), nota-se que a mistura de CV(25%) apresenta a
menor inclinação (kpH= - 0,77 pH/
o traço de referência
EQ \R(semana)
(kpH= - 0,45 pH/
) quando comparada com
EQ \R(semana)
), ratificando o
melhor desempenho para os baixos teores.
Ainda pode-se observar na figura 4.7 a boa aproximação de paralelismo das
retas para as misturas 2, 4, 5, 6, 10 e 11, com coeficiente de alcalinidade médio
igual a
–0,90 pH/
EQ \R(semana)
e coeficiente de variação de 13%.
Considerando que o meio alcalino para manter o concreto com boa capacidade
de proteção à armadura esteja acima do pH=11, as misturas situadas além deste
valor, que foram na maioria aquelas com baixos teores, com exceção da CV
(50%) e CV + CCA (20+30)%, podem ser entendidas como misturas com bom
desempenho para impedir a despassivação do aço e evitar a sua corrosão.
4.6 Integração dos resultados
4.6.1 Resistência à compressão versus carbonatação
Para acompanhar o desenvolvimento da carbonatação dos concretos para as
diferentes misturas investigadas, foi necessário a comparação dos resultados em
igualdade de resistência à compressão axial.
Assim, construiu-se o gráfico da figura 4.8,
com os coeficientes de
carbonatação acelerada em escala logarítmica para todas as misturas,
relacionando-os com três níveis de resistências: 50, 60 e 70MPa. O primeiro
segmento (a) ilustra os resultados para os corpos de prova curados por 28 dias ao
ar e o seguinte (b) para os de 91 dias.
Através da figura 4.8 a seguir, interpretam-se importantes aspectos na
comparação entre as misturas e também entre as idades de pré-cura ao ar,
elucidando, assim, alguns questionamentos propostos inicialmente para a
pesquisa.
75
1 REF
2 SA (10%)
3 SA (20%)
70
10 4 2
1
3 58
6
11
9
7
4 CV (25%)
Resistência à Com pressão - fc (M Pa
5 CV (50%)
6 CAA (25%)
7 CAA (50%)
8 CV + SA (15+10)%
65
9 CV + SA (30+20)%
10 CV + CCA (10+15)%
11 CV + CCA (20+30)%
60
69x
55
50
Kc = 0,35
Kc = 24,34
(a)
45
0,01
0,10
1,00
10,00
100,00
1000,00
Coeficiente de Carbonatação - Kc ( mm / √ semana )
75
Resistência à Com pressão - fc (M Pa
70
1
10 4
2 6
38 5
11
7
9
65
60
87x
55
50
Kc = 0,69
Kc = 60,64
(b)
45
0,01
0,10
1,00
10,00
100,00
1000,00
Coeficiente de Carbonatação - Kc ( mm / √ semana )
FIGURA 4.8 - Evolução do kc com a resistência à compressão axial para as
idades de 28 (a) e 91 (b) dias de pré cura ao ar dos concretos.
O coeficiente de carbonatação acelerada aumentou para todas as misturas,
quando a cura passou de 28 para 91 dias, sendo aproximadamente o dobro para
esta última idade, como pode-se notar no incremento de 0,35 mm/
\R(semana)
para 0,69 mm/
EQ \R(semana)
EQ
no traço de referência, para o
mesmo nível de resistência (60MPa).
Nota-se também que, para ambos os casos, o valor do coeficiente foi tão mais
elevado quanto maior foi o teor da adição, variando de 0,35 mm/
\R(semana)
no traço de referência para 24,34 mm/
EQ \R(semana)
EQ
na
mistura de CV + SA (30 + 20)% para cura de 28 dias (aumentando 69 vezes).
Para estes mesmos concretos, na cura dos 91 dias, o aumento foi ainda maior, de
87 vezes, passando de 0,69 para 60,64 mm/
EQ \R(semana)
.
À medida que a resistência aumentou, para cada traço, houve um decréscimo
no coeficiente de carbonatação acelerada, indicando que a diminuição da
porosidade do concreto acarreta menor penetração de CO2 para as reações de
carbonatação.
Outra comparação significativa aponta que os coeficientes de carbonatação se
ordenaram conforme a atividade pozolânica. Nota-se que os maiores coeficientes
foram para as misturas mais reativas, apresentando uma disposição em ordem
crescente não só do grau de atividade pozolânica como também do seu teor na
mistura.
Esta ordenação, conforme pode-se verificar no gráfico, apresentou a seguinte
sequência de misturas, caracterizada pelo seu número na legenda: 10, 4, 6 e 8 para
teores normais; e, 5, 11, 7 e 9 para os altos teores, tanto na cura aos 28 dias quanto
aos 91 dias. Somente os traços binários com sílica ativa mostraram-se diferentes
dos demais, com retas menos inclinadas e não acompanhando a reatividade
crescente das pozolanas.
4.6.2 Alcalinidade versus carbonatação
Com o objetivo de verificar a influência da carbonatação sobre a alcalinidade
dos concretos investigados, procura-se, através da figura 4.9, estabelecer a
correlação linear existente entre os coeficientes calculados, sempre na idade de
cura dos 91 dias e resistência de 60 MPa.
3,50
Coeficiente de Alcalinidade - KpH ( pH / √ semana )
3,00
9
2,50
y = 0,032x + 0,723
2
R = 76%
2,00
8
1,50
1 REF
2 SA (10% )
3 SA (20% )
4 C V (25% )
5 C V (50% )
6 C C A (25% )
7 C C A (50% )
8 C V + SA (15+10)%
9 C V + SA (30+20)%
10 C V + C C A (10+15)%
11 C V + C C A (20+30)%
3
6
1,00
10
4
0,50
0,00
0,00
2
7
11
5
1
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
C o eficiente de C arbo natação - K c ( m m / √ sem ana )
FIGURA 4.9 - Correlação linear existente entre os coeficientes de carbonatação
(kc) e alcalinidade (kpH).
Observa-se na figura 4.9 uma correlação linear entre os coeficientes kpH
(tabela 11A) e kc (tabela9A), sendo explicada pelo coeficiente de determinação de
75 %, ou seja, a relação existente entre as variáveis pode ser considerada
satisfatória, indicando que os resultados do pH são dependentes e relacionados
com os de carbonatação.
Portanto, a carbonatação dos concretos acarreta o rebaixamento do pH, sendo
este mais significativo quando cresce o teor de pozolana na mistura, bem como
quando aumenta a reatividade da adição mineral.
4.6.3 Desempenho das pozolanas
A verificação do comportamento das pozolanas utilizadas no experimento com
relação ao fenômeno da carbonatação esclareceu um dos objetivos do trabalho,
que foi o de investigar seu desempenho e em que teores de substituição do
cimento elas tiveram maior influência.
A figura 4.10 procura ilustrar o desempenho das misturas binárias e ternárias
de pozolanas para a carbonatação acelerada na idade de cura dos 28 dias e
resistência de 60 MPa.
CV + CCA
C V + SA
% Pozolana
50
M IST U R A S
T E R N Á R IA S
CV + CCA
25
CV + SA
(b )
0 ,1 0
1 ,0 0
1 0 ,0 0
1 0 0 ,0 0
C o e f ic ie n t e d e C a r b o n a t a ç ã o - m m / √ s e m a n a
CV
% Pozolana
50
25
CV
M IS T U R A S
B IN Á R IA S
CCA
SA
20
10
CCA
SA
(a )
0 ,1 0
1 ,0 0
1 0 ,0 0
1 0 0 ,0 0
C o e fic ie n te d e C a r b o n a ta ç ã o - m m / √ se m a n a
FIGURA 4.10 - Desempenho das misturas em relação a carbonatação acelerada
na idade de cura dos 28 dias e resistência de 60MPa.
Para as misturas binárias com baixos teores, a SA apresentou maior
carbonatação 3,95 mm/ semana , enquanto a CCA ficou com 1,77 mm/ semana
e a CV 1,07 mm/ semana .
Nas misturas binárias com altos teores, o comportamento foi semelhante ao
dos baixos teores, apenas a CCA apresentando maior carbonatação 14,41
mm/ semana , ao invés da SA. Estes resultados comprovam que as pozolanas
mais reativas, SA e CCA, carbonataram mais que a CV, menos reativa.
Nota-se, também, o bom desempenho da CV com alto teor de substituição
(50%), resultando num coeficiente de carbonatação abaixo de 4,0 mm/ semana ,
indicando que a mistura com essa pozolana, mesmo para altas dosagens, mostra-se
favorável quanto à durabilidade do concreto frente ao fenômeno da carbonatação.
Para as misturas ternárias com altos teores, na pré-cura aos 28 dias, observase um incremento no coeficiente de carbonatação quando ocorre a conjugação da
CV com a SA , variando de 11,03 mm/ semana para SA (20%), até 24,34
mm/ semana para CV + SA (30+20)%.
Esse comportamento está associado ao efeito sinérgico que acontece quando
associa-se a CV com outra pozolana, vindo a consumir maior quantidade de CH
através das reações pozolânicas, aumentando a velocidade de carbonatação,
conforme descrito no item anterior.
Analisando também o desempenho das pozolanas para os 91 dias de pré-cura
ao ar dos concretos, figura 4.11 a seguir, verifica-se um desenvolvimento mais
acentuado dos coeficientes de carbonatação acelerada para as diferentes misturas.
Isso comprova que o aumento do tempo de cura ao ar para os 91 dias,
proporcionou um maior consumo de CH através das reações pozolânicas,
incrementando assim a taxa de carbonatação dos concretos.
Observa-se, através da figura 4.11, que as misturas com coeficientes abaixo
de 2,0 mm/ semana foram a binária de CV(25%) com 1,55 mm/ semana e a
ternária de CV+CCA(10+15)% com 0,97 mm/ semana . Somente a mistura
binária de CCA(25%) com coeficiente de 3,12 mm/ semana permaneceu na faixa
entre 2,0 e 4,0 mm/ semana .
Assim, de um modo geral, tanto para a pré-cura ao ar dos 28 dias quanto para
os 91 dias, as misturas binárias de CV e CCA e a ternária de CV+CCA, todas com
baixos teores, situam-se na categoria de concretos duráveis, com coeficientes
abaixo de 4,0 mm/ semana .
Optou-se nesta pesquisa, em considerar para efeito de desempenho das
pozolanas os coeficientes de carbonatação calculados para a pré-cura ao ar de 28
dias, por ser a idade mais empregada nos estudos de carbonatação acelerada
segundo a literatura.
CV + CCA
C V + SA
% Pozolana
50
M IS T U R A S
T E R N Á R IA S
CV + CCA
25
C V + SA
(b )
0 ,1 0
1 ,0 0
1 0 ,0 0
1 0 0 ,0 0
C o e f ic ie n t e d e C a r b o n a t a ç ã o - m m / √ s e m a n a
CV
% Pozolana
50
25
CV
CCA
0 ,1 0
M IS T U R A S
B IN Á R IA S
SA
20
10
CCA
SA
1 ,0 0
(a )
1 0 ,0 0
1 0 0 ,0 0
C o e fic ie n te d e C a r b o n a ta ç ã o - m m / √ se m a n a
FIGURA 4.11 - Desempenho das misturas em relação a carbonatação acelerada
na idade de cura dos 91 dias e resistência de 60MPa.
Portanto, as misturas que apresentaram melhor desempenho neste
experimento, considerando a idade de pré-cura aos 28 dias, em relação à
carbonatação acelerada foram a CV (25%) e a CCA (25%) para os traços binários,
e a CV + CCA (10+15)% para os traços ternários, todos com coeficientes abaixo
de 2,0 mm/ semana .
4.7 Durabilidade com vistas à carbonatação
Para se obter uma visão mais abrangente deste trabalho, procurou-se
relacionar os resultados encontrados com outras pesquisas e estudos sobre a
temática em pauta, bem como responder aos questionamentos propostos nos
objetivos específicos da dissertação.
Neste aspecto, salienta-se a dificuldade para a comparação de resultados entre
experimentos deste gênero, pois nem sempre as condições de investigação são
planejadas e implementadas de modo similar, ocorrendo muitas vezes
interpretações diversas e sem generalizações possíveis para a tomada de
conclusões.
Mesmo assim, buscaram-se algumas contribuições importantes existentes na
literatura sobre a carbonatação dos concretos com pozolanas, enriquecendo as
discussões e colaborando para uma análise mais acurada a respeito da
durabilidade deste material frente ao fenômeno.
Uma das questões que motivou a realização desta pesquisa foi o interesse em
compreender melhor se o período de pré-cura ao ar dos concretos antes da
colocação na câmara climatizada causa alguma influência entre as reações
pozolânicas e de carbonatação. Em face disso, foram testadas duas idades de cura
ao ar, aos 28 e 91 dias, proporcionando uma comparação, em igualdade de
resistência, dos coeficientes de carbonatação para as 11 misturas ensaiadas.
Conforme a análise dos resultados realizada no item anterior, a maior
carbonatação dos concretos curados aos 91 dias pode ser explicada pelas
diferenças de natureza entre as reações pozolânicas e de carbonatação. A
formação do C-S-H nas reações pozolânicas ocorre por um mecanismo de
dissolução e precipitação do CH (MASSAZZA,1998), enquanto que nas reações
de carbonatação a difusão do CO2 nos poros do concreto acontece por um
processo de dissolução ou topoquímico, formando os carbonatos e água
(MATALA,1997).
Pela análise dos resultados do item 4.4 e subitem 4.6.3, verificou-se a
influência que a atividade pozolânica e a proporção de pozolanas nas misturas,
respectivamente, tiveram sobre o incremento na carbonatação dos concretos,
confirmando que as reações pozolânicas precederam as reações de carbonatação e
ocorreram de forma mais veloz, pelo que se pôde notar comparando as idades de
cura de 28 e 91 dias.
De acordo com artigo realizado sobre esta pesquisa, em particular sobre o
efeito das idades de pré-cura ao ar, ISAIA, VAGHETTI & GASTALDINI (1998)
concluem “que as reações pozolânicas se processaram mais rapidamente do que as
de carbonatação, diminuindo tanto mais a reserva alcalina quanto maior a
reatividade ou a quantidade de pozolana no traço”, justificando os maiores
coeficientes de carbonatação para os concretos curados aos 91 dias.
Com relação ao período de pré-cura ao ar dos concretos mais apropriado para
realizar o ensaio de carbonatação acelerada, conclui-se que ainda se faz necessária
a comparação entre os coeficientes de carbonatação acelerada dos 28 e 91 dias
com os coeficientes de carbonatação natural.
Apesar de existirem poucos experimentos na literatura abordando o período
de cura inicial antes de acelerar o processo de carbonatação, a pesquisa realizada
por SIRIVIVATNANON & KHATRI (1998), entre outros assuntos, enfocou
particularmente esse tema. Os pesquisadores relataram que a carbonatação
acelerada com pré-cura de 90 dias apresentou bons resultados quando comparada
com a de carbonatação natural, embora obtendo coeficientes de carbonatação
diferentes em valores absolutos.
Portanto, o período de pré-cura ao ar dos concretos antes da colocação na
câmara de carbonatação, principalmente nos ensaios com adições de pozolanas,
influirá nos resultados, devendo para isso ser normalizado tanto o período de cura
inicial quanto a concentração de CO2.
Outra questão levantada nos objetivos do trabalho foi com relação às
possíveis influências entre os resultados de carbonatação e os ensaios de
alcalinidade (pH) e teor de CH remanescente.
O comportamento do teor de CH, realizado na análise dos resultados, foi
importante na medida que possibilitou o acompanhamento da reserva alcalina das
pastas não-carbonatadas para as 11 misturas ensaiadas, comparando com a
carbonatação dos concretos, contribuindo para o delineamento das conclusões do
trabalho.
O teor de CH remanescente das misturas com altos teores foi pequeno,
quando comparado com os baixos teores e com o concreto de referência (figura
4.6). Isso comprova que, devido às reações pozolânicas, a quantidade de CH
diminuiu à medida que aumentou o conteúdo de pozolana no traço, tendo, como
consequência, o incremento na carbonatação dos concretos. Esse comportamento
também foi verificado nas pesquisas de SCHUBERT (1987) e HORIGUCHI et al.
(1994).
O emprego conjugado da CV em misturas ternárias com o cimento Portland
contribui para o aumento dos coeficientes de carbonatação, principalmente
quando os concretos possuem teores elevados de adições.
Este efeito multiplicador que a CV exerce sobre outras pozolanas, como a SA
e CCA, foi encontrado para a carbonatação nas misturas ternárias do presente
trabalho, conforme ilustram as figuras 4.10 e 4.11 sobre o desempenho dos traços
ensaiados.
A ação sinérgica da CV nos traços ternários foi relatada na pesquisa de
JONES, DHIR & MAGEE (1997), na qual as profundidades de carbonatação para
as misturas ternárias foram em média 2,5 vezes maiores que as misturas binárias.
ISAIA (1997) também descreve em seu trabalho que o efeito multiplicador da CV
é tão mais elevado quanto maior a proporção de pozolana no traço.
Pela análise dos resultados de pH na tabela 10A do anexo A, verificou-se,
para uma mesma relação a/ag dos 11 traços estudados à mesma profundidade de
15 mm, a diminuição da alcalinidade com o aumento do teor de pozolanas nas
misturas, sendo menos acentuado este decréscimo para os traços binários com
sílica ativa, e mais acentuado para os traços binários com cinza de casca de arroz,
como ilustra a figura 4.7.
O rebaixamento do pH em função da profundidade carbonatada, portanto, foi
mais significativo para os altos teores e de acordo com a reatividade de cada
pozolana. Também foi verificada a existência de correlação entre os coeficientes
de alcalinidade (kpH) e carbonatação (kc), conforme mostra a figura 4.9.
A tendência para menor alcalinidade com o incremento do teor de pozolanas
nas misturas vem ratificar o maior consumo de CH pelas reações pozolânicas,
conforme visto nas figuras 4.6 e 4.8, bem como o aumento dos coeficientes de
carbonatação.
Ainda dentro das questões levantadas para a pesquisa, encontra-se a de
entender como evolui o coeficiente de carbonatação para as diferentes misturas,
tanto binárias quanto ternárias, em comparação com o concreto de referência, sem
pozolanas.
Através da figura 4.8 do subitem 4.6.1, verificou-se que todas as misturas
com pozolanas apresentaram maior coeficiente de carbonatação que o concreto de
referência, independentemente do período de pré-cura ao ar dos concretos.
Este comportamento está associado basicamente à maior reserva alcalina que
o cimento Portland proporciona, pois existe maior quantidade de CH para ser
consumido pelo CO2 nas reações de carbonatação, necessitando primeiro rebaixar
o pH da solução para depois continuar avançando, fazendo com que a
profundidade carbonatada progrida lentamente, diminuindo assim os coeficientes
de carbonatação.
Algumas pesquisas com pozolanas contribuem para ratificar os resultados
encontrados e também para justificar tal comportamento, como as de BRANCA et
al. (1993) e de SASATANI, TORII & KAWAMURA (1995).
Para melhor entender a durabilidade do concreto com vistas à carbonatação,
formulou-se outra questão importante para ser respondida nesta investigação, que
foi a seguinte: Quais as misturas com melhor desempenho em relação à
carbonatação e em que teores de substituição do cimento elas influenciaram mais
diretamente no fenômeno?
Pela análise dos resultados do subitem 4.6.3, bem como pela figura 4.10, foi
possível compreender quais as misturas que tiveram melhor desempenho quando
comparadas entre si e também quais as pozolanas mais eficientes.
De um modo geral, as misturas binárias com CCA e com CV e a mistura
ternária de CV+CCA, todas com baixos teores, foram as que apresentaram os
menores coeficientes de carbonatação acelerada, como pode-se visualizar melhor
na figura 4.12, abaixo.
FIGURA 4.12- Relação entre o teor de pozolanas e o coeficiente de carbonatação acelerada na idade de cura dos 28 dias e resistência de
60 MPa.
Pesquisa realizada por ISAIA (1995), com materiais de características
semelhantes aos do presente trabalho, também comprovou que a CCA, entre as
pozolanas estudadas, foi a de melhor desempenho à carbonatação acelerada, tanto
isoladamente com teor de 30% como nas misturas ternárias CV+CCA (20+30)%.
Conforme ISAIA (1995, p.209), “O melhor desempenho da cinza de casca de
arroz em relação às demais misturas pode ser função da maior reserva alcalina que
esta pozolana proporciona, por ser menos reativa que a SA”.
O comportamento da CCA nesta pesquisa vem confirmar as qualidades desta
pozolana, apresentando boa resistência à carbonatação, principalmente quando
conjugada com a CV em baixos teores. Experimentos como os de MATSUI et al.
(1996) e de SUGITA et al. (1997) relatam que, além da carbonatação, outras
propriedades são melhoradas com o emprego da CCA, tais como a resistëncia à
compressão e resistência do concreto ao ataque ácido e à penetração de íons
cloreto.
A cinza volante foi outra pozolana que apresentou desempenho adequado na
carbonatação, mesmo com altos teores de substituição em mistura binária. A
utilização de proporções elevadas desta cinza encontra restrições em algumas
normas ou códigos internacionais.
Mesmo
assim,
muitas
pesquisas,
entre
elas
as
de
GALEOTA,
GIAMMATTEO & MARINO (1995) e MULLER, HARDTL & SCHIESSL
(1997), salientam que o uso da CV em teores até 60% de substituição do cimento
ainda oferece boa resistência do concreto à corrosão do aço e também melhoria
nas propriedades de aderência, retração e módulo de elasticidade.
Quanto à diminuição do pH devido a teores elevados de CV, ISAIA (1992)
aponta que o decréscimo da reserva alcalina ainda não é suficiente para promover
a despassivação da armadura, como sustenta também DIAMOND (1981) em sua
pesquisa.
Neste contexto, a durabilidade do concreto com vistas à carbonatação está
fundamentada em vários aspectos, principalmente na escolha das melhores
misturas de pozolanas, nos seus teores de substituição, na tecnologia para a
preparação, transporte, adensamento e cura do concreto, mas, sobretudo, a uma
prescrição adequada da camada de cobrimento da armadura nos projetos
estruturais, visando retardar e até impedir o desencadeamento do processo de
corrosão, contribuindo para o aumento da vida útil das construções.
CONCLUSÃO
Partindo das questões levantadas nos objetivos específicos da pesquisa,
procura-se estabelecer as respostas com base nos resultados obtidos, nas análises
realizadas e também na literatura existente sobre o tema.
Com relação ao período de pré-cura ao ar dos concretos antes da colocação na
câmara de carbonatação, constata-se que ele foi significativo e influiu nos
resultados. Conforme visto, os coeficientes de carbonatação encontrados para a
idade de cura inicial de 91 dias foram em média o dobro daqueles para a cura de
28 dias, sempre em igualdade de resistência à compressão. A maior carbonatação
para os 91 dias pode ser explicada pelas diferenças de natureza entre as reações
pozolânicas e de carbonatação, ou seja, prioridade de consumo de CH pelas
primeiras em relação às segundas.
O desenvolvimento das reações pozolânicas induz a diminuição dos teores de
CH na solução dos poros do concreto e, conseqüentemente, aumento da
velocidade de carbonatação, pois a difusão do CO2 nos poros é mais rápida devido
à menor quantidade de CH disponível para reagir.
Conclui-se, portanto, que as reações pozolânicas precederam às reações de
carbonatação e ocorreram de forma mais rápida, diminuindo tanto mais a reserva
alcalina quanto maior a reatividade ou a quantidade de pozolana no traço. Para se
afirmar qual o melhor período de pré-cura ao ar dos concretos, 28 ou 91 dias,
torna-se necessária a comparação dos coeficientes de carbonatação acelerada e
natural, que será realizada quando os ensaios de carbonatação natural estiverem
completos.
Verificou-se que o concreto de referência apresentou menor coeficiente de
carbonatação em relação aos concretos com pozolanas. Este comportamento está
associado à maior reserva alcalina que o cimento Portland proporciona, existindo
maior quantidade de CH para ser consumido pelo CO2 nas reações de
carbonatação, necessitando primeiro rebaixar o pH da solução, para depois
continuar avançando, fazendo com que a profundidade carbonatada progrida
lentamente, diminuindo assim os coeficientes de carbonatação.
As misturas de pozolanas com melhor desempenho com relação à
carbonatação, foram as binárias de CCA (25%) e CV (25%), e a ternária de
CV+CCA (10+15)%, todas com coeficientes de carbonatação acelerada abaixo de
2,0 mm/ semana .
Enquadram-se também como misturas adequadas, com coeficientes de
carbonatação entre 2,0 e 4,0 mm/ semana , as misturas binárias de SA (10%) e
CV (50%), e a ternária de CV+SA (15+10)%.
Portanto, concretos executados com estas misturas terão profundidade
carbonatada inferior a 40mm em 100 anos, adotando a equivalência de uma
semana em processo acelerado de carbonatação corresponder a um ano de
envelhecimento natural. Assim, esses traços situam-se na faixa para concretos
duráveis,
com
vida
útil
resistente
aos
efeitos
da
carbonatação
e,
conseqüentemente, para a corrosão do aço.
Duas pozolanas merecem destaque neste estudo: a CCA e a CV. A primeira,
por ser menos conhecida experimentalmente, revela-se com boa performance em
relação à carbonatação, corroborada por algumas poucas, mas importantes
pesquisas, que salientam também o bom desempenho sobre outras propriedades
ligadas à durabilidade do concreto, tais como a alta resistência mecânica inicial, a
baixa permeabilidade e a resistência à penetração de íons cloretos, etc..
A segunda, a cinza volante, foi a que resultou para o traço binário com 50% de
substituição, coeficientes de carbonatação acelerada abaixo de 4,0 mm/ semana ,
apresentando, assim, os menores valores entre as misturas com altos teores. Estes
resultados confirmam o bom desempenho desta pozolana à carbonatação, mesmo
para proporções elevadas.
Outro benefício do uso da CV em concretos fica por conta da ação sinérgica
que esta pozolana proporciona quando conjugada com outra, como a CCA ou a
SA, resultando num efeito multiplicador tão maior quanto mais elevados forem os
teores de pozolanas contidos em cada mistura. Nesta pesquisa, os traços ternários
da CV+CCA ratificam este comportamento, e os resultados para a carbonatação
comprovam que a utilização conjunta das duas pozolanas são favoráveis para a
durabilidade do concreto.
Para os ensaios de carbonatação acelerada, torna-se importante a normalização
do período de cura inicial e da concentração de CO2 na câmara, para que os
resultados acelerados sejam comparáveis entre si como também com os de
carbonatação natural.
Espera-se
que
esta
dissertação
contribua
para
reafirmar
as
potencialidades do CAD com pozolanas e para o despertar do seu uso em
obras correntes, oportunizando a adequação qualidade/desempenho sob o
ponto de vista técnico e a maior relação custo/benefício sob a ótica
econômico-social. Para que isto aconteça, impera a necessidade da
continuidade de novas pesquisas, sedimentando os conhecimentos já
adquiridos
sobre
a
durabilidade
impulsionando para novas descobertas.
deste
material,
como
também
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