Influência da alcalinidade do cimento e as fibras

As fibras à base de SiO2 ou tipos de fibras naturais possuem algumas limitações. Esses perfis de fibras sofrem degradação das propriedades físicas com o tempo, devido ao ataque do meio alcalino à matriz de cimento Portland, o que pode intervir diretamente na tenacidade e flexibilidade do material, tornando-os frágeis.

A fragilização da fibra pode ocorrer pelo processo de mineralização, resultante da migração de produtos de hidratação, especialmente o hidróxido de cálcio (CH), para a cavidade central, paredes e vazios da fibra onde cristalizam-se. Isso pode promover a ruptura sem alongamento considerável das fibras, evitando a contribuição conforme o esperado para o incremento de tenacidade à matriz de cimento (TOLEDO FILHO, 1997).

Dessa forma, possíveis soluções podem dificultar a interação química entre as fibras que são mais vulneráveis ao ambiente alcalino do cimento Portland: (1) utilizando cimento de baixa alcalinidade ou (2) adicionando sílica flour, metacaulim e dentre outros materiais com atividade pozolânica, com o objetivo de baixar o pH da solução dos poros e reduzir ou eliminar a formação do produto de hidratação do cimento, o hidróxido de cálcio (CH).

Diversos tipos de materiais pozolânicos podem ser utilizados para melhorar o desempenho da matriz de cimento reforçadas com fibras naturais ou à base de sílica. O uso de pozolanas em pastas de cimento podem reduzir a alcalinidade quando utilizadas como materiais substitutos ao cimento Portland, devido ao consumo de hidróxido de cálcio pelas reações pozolânicas ou pela menor quantidade de clínquer presente (NITA, 2006).

A reação pozolânica confere grande importância as propriedades físicas e mecânicas das pastas de cimento, pois se trata de uma reação lenta que afeta o processo de liberação de

Propriedades Fibra de vidro Fibra de basalto

Densidade (g/cm3) 2,5 2,8

Módulo de elasticidade (GPa) 76,0 89,0

Resistência à tração (GPa) 1,4-2,5 2,8

Alongamento para fratura (%) 1,8-3,2 3,1

Específico módulo E (GPa por g/cm3) 30,0 31,7

Luanna C. M. Paiva 39 calor e de desenvolvimento da resistência nas primeiras idades. Além disso, pode contribuir para durabilidade da pasta endurecida frente aos ataques ácidos decorrentes da ação química (reação pozolânica) e ação física das pozolanas com o preenchimento dos espaços vazios, proporcionando um refinamento do diâmetro dos poros, melhorando a resistência mecânica e diminuindo a permeabilidade da pasta (ANJOS, 2009).

Reações pozolânicas consistem na reação entre o Ca(OH)2 (CH, formado pelo

processo de hidratação dos minerais C3S e C2S) e a pozolana (material rico em sílica) formando uma espécie hidratada de silicato de cálcio hidratado (gel C-S-H) (COSTA et al., 2017; BEZERRA et al., 2011; TAYLOR, 1990). A Tabela 8 apresenta as reações de hidratação do cimento para a formação do gel C-S-H e a reação pozolânica, além das velocidades da reações envolvidas.

Tabela 8 – Descrição das reações pozolânicas.

Reações Velocidade da reação

2C3S + 6H 3CSH + 3CH Rápida (horas e dias)

2C2S + 4H 3CSH + CH Rápida (dias)

Pozolana + CH + H C-S-H Lenta (dias e meses)

Fonte: BEZERRA et al. (2011).

Coleman & Page (1997) relataram que argamassas com teores de 10% e 20% de metacaulim, em substituição ao cimento, reduz em torno de 0,2 a 0,4 a escala de pH em período de cura de 100 dias. Khatib & Will (1996) mencionam que o uso do metacaulim em pastas de cimento promovem o preenchimento dos poros da microestrutura da pasta endurecida, com aumento da quantidade de poros menores que 0,01 µm. Frias & Cabrera (2000) observaram também reduções de poros semelhantes, com a utilização de 15 a 20% de pozolana. Desse modo, o consumo de hidróxido de cálcio (CH) da zona de transição pela pozolana, com formação de gel C-S-H, diminui a porosidade e contribui para um ganho de densificação de materiais cimentantes.

Em relação ao desempenho mecânico, a adição de um material pozolânico pode melhorar as propriedades mecânicas da matriz de cimento reforçada com fibras naturais, através do consumo de hidróxido de cálcio e formação de produtos hidratados que

proporcionam ganho de resistência mecânica às pastas de cimento. Os valores dos módulos de ruptura e da tensão máxima no limite de proporcionalidade estão relacionados ao teor, tipo e perfil geométrico das fibras adicionadas à matriz, influenciando diretamente no comportamento da curva carga x deflexão (NITA, 2006). Bahthia & Yan (1996) relataram o ganho de aderência fibra-matriz com adição de metacaulim. Através do ensaio de arrancamento das fibras de aço à matriz de cimento com adição de 10% de metacaulim, após 7 e 28 dias houve um incremento de resistência a aderência fibra-matriz.

Um aditivo com atividade pozolânica usualmente empregado em poços de altas temperatura é a sílica flour. No estado endurecido da pasta de cimento, a adição desse material pode melhorar a resistência à compressão e diminuir a permeabilidade por meio das reações pozolânicas ou pelo prenchimento de poros (efeito filler) (ANJOS, 2009). Uma representação pode ser observada na Figura 19.

Figura 19 - Representação esquemática do empacotamento das partículas com adição de sílica flour em pastas

de cimento reforçadas com fibras.

Fonte: Adaptado de ANJOS (2009).

Na Tabela 9 são apresentadas algumas propriedades físico-químicas dos aditivos sílica flour e metacaulim como contribuição as ações químicas (reações pozolânicas) e ações físicas (efeito de preenchimento) à matriz de cimento Portland.

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Tabela 9 - Composições químicas e propriedades físicas da sílica flour e do metacaulim.

Composição química (%) SiO2 Al2O3 SO3 Fe2O3 TiO3 CaO + MgO Na2O

Sílica flour 95,7 2,0 1,8 0,2 0,1 0,0 0,0

Metacaulim 57,0 34,0 < 0,1 2,0 1,5 < 0,1 < 0,1

Propriedade física Massa específica (g/cm3) Resíduo na peneira (%)

Sílica flour 2,65 0 (45 µm)

Metacaulim 2,56 6 (365 µm)

Fonte: Adaptado de ANJOS (2009) e METACAULIM DO BRASIL (2018).

Costa et al. ( 2017) estudaram pastas de cimento para poço de petróleo com adições de sílica flour e observaram o efeito de preenchimento proporcionado pelo aditivo a temperaturas abaixo de 110 °C. Ge et al. (2018) mencionaram que a reação pozolânica entre a sílica flour e o hidróxido de cálcio na solução de poros da pasta de cimento é extremamente lenta a 80 °C. Goldman & Bentur (1994) ao avaliar as propriedades de sistemas de matriz de cimento com adição de sílica ativa amorfa e sílica com efeito filler (não reativo), ambas conferindo granulometrias semelhantes, observaram que o efeito filler (efeito físico) proporcionado pelas finas partículas do aditivo sugere ter uma ação mais significativa em relação à ação pozolânica.

CAPÍTULO III

Estado da Arte

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