As características dos agregados afetam tanto as propriedades reológicas quanto as propriedades mecânicas do concreto.
A resistência à compressão, a resistência à abrasão e o módulo de elasticidade dos agregados são propriedades inter-relacionadas, que são muito influenciadas pela porosidade dos mesmos. A resistência do concreto não depende somente da resistência mecânica dos agregados, mas também, de sua absorção e de suas características de aderência. A resistência à compressão do concreto não pode ser significantemente maior do que a da maior parte do agregado, embora não seja fácil estabelecer qual é a resistência isolada das partículas. Já o módulo de elasticidade do concreto é, geralmente, tanto maior quanto maior o módulo dos agregados graúdos e o percentual que o constitui (NEVILLE, 1997). A fluência e a retração do concreto também são influenciadas pelo módulo de elasticidade dos agregados. Uma diferença muito grande entre os módulos de elasticidade do agregado e da pasta de cimento hidratada favorece o desenvolvimento de microfissuras na interface agregado-matriz (NEVILLE, 1997).
Quando se analisa aspectos ligados a granulometria, verifica-se que agregados com maiores dimensões máximas características (NBR 7211:2005) tendem a gerar mais microfissuras na zona de transição entre o agregado graúdo e a pasta de cimento, o que por sua vez prejudica a permeabilidade e as propriedades mecânicas do concreto. Cabe ressaltar que a microfissuração na zona de transição tem um efeito mais danoso na resistência à flexão e no módulo de deformação do que na resistência do concreto à compressão (MEHTA e MONTEIRO, 1994). Composições granulométricas adequadas
garantem uma melhor trabalhabilidade do concreto no estado fresco, e uma menor permeabilidade no concreto endurecido. Do ponto de vista de trabalhabilidade sabe-se que o volume de vazios ótimo presente na composição granulométrica ideal é um pouco maior do que o produzido pela mistura de agregados graúdos e miúdos que fornece a massa específica compactada máxima.
As dimensões dos agregados graúdos devem também ser condizentes com as dimensões das formas, do espaçamento das armaduras das estruturas e do diâmetro da tubulação das bombas. No Brasil, os limites vigentes para a dimensão máxima característica do agregado (Dmáx) no concreto são: Dmáx ≤ 1/3 espessura das lajes; Dmáx ≤ 1/4 da
distância entre faces de fôrmas; Dmáx ≤ 0,8 do menor espaçamento entre armaduras
horizontais; Dmáx ≤ 1,2 do menor espaçamento entre armaduras verticais; Dmáx ≤ ¼ do
diâmetro da tubulação de bombeamento do concreto. A NBR 6118:2003 também estabelece que Dmáx ≤ 1,2 do cobrimento.
O dano causado ao concreto pelo congelamento é outro aspecto que pode ser influenciado pela dimensão máxima característica do agregado graúdo. Geralmente, quando agregados maiores do que um tamanho crítico previamente determinado é utilizado, o risco de fissuração aumenta (NEVILLE 1997).
Um excesso de partículas finas presentes nos agregados (materiais pulverulentos) aumenta o consumo de água (portanto, o consumo de cimento no concreto tornando-o antieconômico), a retração quando de seu endurecimento, e o grau de reatividade dos minerais dos agregados com os álcalis do cimento. Conforme descrito por MEHTA e MONTEIRO (1994) observa-se que, quando uma grande quantidade de material reativo está presente em uma forma finamente dividida (i.e., abaixo de 75 μm), pode haver evidência considerável de reação, mas não ocorrem expansões significativas. Por outro lado, muitos problemas de expansão e fissuração do concreto, atribuíveis à reação álcali-agregado, são associados com a presença de partículas reativas a álcalis, do tamanho da areia, no agregado, especialmente na faixa de 1 mm a 5 mm.
A sanidade do agregado, ou seja, a capacidade que um agregado tem de manter sua estabilidade estrutural após ser submetido a ciclos alternados de umedecimento e secagem ou congelamento e descongelamento, depende principalmente da sua estrutura de vazios. O tamanho e a distribuição dos poros determinam a capacidade de absorção do agregado, e define a facilidade com que a água irá entrar e sair dos mesmos, podendo gerar pressões capazes de provocar danos a sua estrutura. O volume total de poros na maioria dos agregados naturais está normalmente abaixo de 3 % e raramente excede 10% (HEARN et al., 1994). Um bom desempenho do agregado quanto à sanidade não será, entretanto, garantia de um bom desempenho quando o mesmo for utilizado no concreto, pois, o sistema de alívio de pressão dependerá das propriedades do concreto como um todo. Caso o sistema não funcione bem, ter-se-á problemas na zona de transição entre a superfície do agregado e a matriz da pasta de cimento.
A forma e a textura superficial do agregado tem influência na aderência à pasta de cimento e também a demanda de água da mistura, especialmente no caso do agregado miúdo. Comparadas às partículas lisas e arredondadas, as partículas de textura áspera, angulosas requerem mais pasta de cimento para produzir misturas trabalháveis, dando origem, porém, a concretos com maiores resistências mecânicas nas primeiras idades (principalmente a resistência à tração). Quanto à influência da reatividade dos agregados, há indicações de que rochas com textura vítrea são mais vulneráveis ao ataque dos álcalis presentes nos produtos de hidratação da pasta de cimento.
No que diz respeito as propriedades térmicas do agregado, o coeficiente de dilatação térmica, o calor específico e a condutividade térmica são as que mais influenciam no desempenho do concreto. A estrutura mineralógica do material também deve ser conhecida com detalhes, quando o mesmo tiver que ser exposto a temperaturas elevadas. Agregados silicosos contendo quartzo, tais como granito e arenito, podem causar danos no concreto a cerca de 573oC porque a transformação do quartzo da forma α para é associada com uma expansão súbita da ordem de 0,85 %. No caso de rochas carbonáticas, um dano similar pode começar acima de 700oC como resultado da reação de descarbonização (MEHTA e MONTEIRO, 1994).
Os aglomerantes de cimento Portland utilizados para fabricação dos concretos são materiais que, depois de hidratados, geram uma matriz alcalina onde estarão dispersos os agregados em diversas faixas granulométricas. Da interação entre os produtos de hidratação do cimento e os minerais constituintes dos agregados podem surgir diversas reações químicas, conhecidas como reações álcalis-agregado. Tais reações podem trazer tanto benefícios quanto malefícios para as propriedades do concreto.
As reações expansivas são extremamente danosas ao concreto, causando instabilidade dimensional e fissuração excessiva, levando a perda de sua resistência, elasticidade e durabilidade.
Das reações expansivas conhecidas a reação álcali-sílica é a que vem sendo mais estudada. A dimensão do problema decorrente de tal reação depende de uma série de fatores, dentre os quais, do teor de álcalis presente, do teor de acidez e do grau de alteração dos agregados, do percentual de partículas dos agregados pertencentes a uma faixa granulométrica mais reativa, da temperatura e do nível de umidade do meio. A forma de ataque no concreto envolve a despolimerização ou quebra da estrutura da sílica do agregado por íons hidroxila seguida pela adsorção de íons metálico-alcalinos na superfície recém-criada dos produtos da reação. Quando os géis de silicato alcalino entram em contato com a água, eles expandem pela absorção de uma grande quantidade de água através de osmose. A pressão hidráulica desenvolvida desta forma pode levar à expansão e fissuração das partículas de agregado afetadas, da matriz da pasta de cimento cercando os agregados e do concreto.
As matérias-primas usadas na manufatura do cimento Portland respondem pela presença de álcalis no cimento, tipicamente na faixa de 0,2 % a 1,5% de Na2O equivalente. Tanto
compostos de sódio quanto de potássio estão presentes normalmente em cimentos Portland, entretanto, é costume expressar o conteúdo de álcalis do cimento como óxido de sódio equivalente solúvel em ácido, que é igual a Na2O + 0,658 K2O. Dependendo
do conteúdo de álcalis de um cimento, o pH do fluido dos poros em concretos normais é geralmente de 12,5 a 13,5. Este pH representa um líquido cáustico ou fortemente alcalino no qual algumas rochas ácidas não permanecem estáveis sob exposição
prolongada. Se o conteúdo total de álcalis do concreto, de todas as fontes, estiver abaixo de 3 kg/m3, provavelmente não ocorrerão danos. Em particular, recomenda-se que o teor de álcalis no cimento Portland não exceda o teor de 0,6% da Na2O equivalente.
Segundo MEHTA e MONTEIRO (1994), com relação a agregados reativos a álcalis, dependendo do tempo, temperatura e tamanho da partícula, todos os silicatos ou minerais de sílica, bem como sílica hidratada (opala) ou amorfa (obsidiana, vidro de sílica), podem reagir com soluções alcalinas, embora um grande número de minerais reaja apenas em um grau insignificante. A reação álcali-sílica é muito lenta e suas conseqüências podem se manifestar apenas depois de transcorridos muitos anos. As partículas silicosas mais finas, com 20 μm a 30 μm, expandem-se após um ou dois meses, e as maiores, somente após muitos anos. Para que haja reação a umidade mínima no interior do concreto deve ser de cerca de 85% a 20oC. Geralmente uma temperatura mais alta acelera a reação e abaixa a umidade requerida mas não aumenta a expansão total resultante. Observa-se também que, para um mesmo teor de álcalis no cimento, a reatividade efetiva do agregado será tanto maior, quanto maior a sua finura (NEVILLE, 1997).
A Tabela 2.9 mostra alguns minerais importantes na constituição das rochas citadas, sua origem e reatividade com os álcalis do cimento Portland.
Da mesma maneira que os álcalis bem ligados presentes na maioria dos minerais de feldspato, os álcalis presentes em escórias e pozolanas são insolúveis em ácido e provavelmente não estejam disponíveis para reagir com o agregado, segundo MEHTA e MONTEIRO (1994).
Reações expansivas no concreto também podem ser provocadas por certos sulfetos e minerais sulfatados, tais como a marcassita e determinadas formas de pirita e pirrotita (sulfetos de ferro). A marcassita, que ocorre principalmente em rochas sedimentares, é um mineral que oxida rapidamente, formando ácido sulfúrico e hidróxidos de ferro, potencializando a corrosão das armaduras. A gipsita (sulfato de cálcio dihidratado) e a
anidrita (sulfato de cálcio anidro), quando presentes no agregado, aumentam as chances de ataque por sulfatos ao concreto.
Tabela 2.9 - Reatividade de alguns minerais e rochas com os álcalis do cimento Portland.
Fonte: Adaptado de RIGO (1998).
Mineral Origem Reatividade com álcalis do
cimento Portland
Albita Feldspato Calco-Sódico Não
Andesitos Rochas Vulcânicas
Criptocristalinas Sim
Anortita Feldspato Cálcico Não
Biotita Mineral Micáceo Não
Calcedônia Mineral de Sílica Sim
Calcita Mineral Carbonático Sim
Cristobalita Mineral de Sílica Sim
Dolomita Mineral Carbonático Sim
Gipsita Mineral Sulfatado Sim
Hornblenda Mineral Ferro-Magnesiano Não
Microclina Feldspato Potássico Não
Moscovita Mineral Micáceo Não
Obsidiana Rocha silicosa amorfa Sim
Opala Sílica Hidratada Sim
Ortoclásio Feldspato Potássico Não
Quartzo Mineral de Sílica Não
Riólitos Rochas Vulcânicas de baixa
cristalinidade Sim
Sílex Córneo Rocha silicosa Sim
Tridimita Mineral de Sílica Sim
Outros tipos de reação que podem ser prejudiciais às propriedades do concreto são algumas reações álcali-carbonato, tais como, as que ocorrem entre alguns calcários dolomíticos e os álcalis do cimento. Tipicamente se formam zonas de reação de até 2 mm em torno das partículas reativas. Aparecem fissuras nessas regiões resultando em um malha de fissuras e perda de aderência entre o agregado e a pasta de cimento. Ensaios já mostraram que ocorre uma desdolomitização, isto é, a transformação da dolomita CaMg(CaO3) em CaCO3 e MgCO3, mas as reações envolvidas não são ainda
bem conhecidas (NEVILLE, 1997). A reatividade entre os agregados provenientes de rochas carbonáticas e os álcalis do cimento é avaliada segundo procedimento estabelecido pela NBR 10340:1988.
Nem todas as reações agregado-aglomerante são prejudiciais ao concreto. FARRAN (1956) apud RIGO (1998), estudou a ligação dos agregados carbonáticos com a pasta de cimento e chegou a conclusão de que a portlandita (Ca(OH)2), formada a partir da pasta
de cimento, liga-se ao agregado apenas pela calcita (CaCO3). MONTEIRO (1985) apud
RIGO (1998) propõe que a calcita reage com a portlandita e forma um carbonato de cálcio hidratado do tipo Ca3(OH)2(CO3)2.xH2O, retificando estudos anteriores que
propunham a reação da calcita com soluções alcalinas do cimento ou com os aluminatos para formar carboaluminatos.
A durabilidade do concreto também depende do teor de determinadas substâncias deletérias que, se presentes nos agregados acima de determinados percentuais, podem prejudicar seu desempenho. A contaminação dos agregados por sais, além do perigo da corrosão da armadura de aço induzida pelos íons cloretos, pode levar a absorção da umidade do ar e provocar eflorescências. A presença de impurezas orgânicas acima de certos teores é prejudicial devido sua baixa durabilidade em meios alcalinos e úmidos, levando ao aumento do volume de vazios no concreto endurecido, prejudicando assim sua permeabilidade e suas propriedades mecânicas. A presença de argilas e outros materiais pulverulentos podem levar a formação de películas superficiais que interferem com a aderência entre o agregado e a pasta de cimento. Além disso, a finura de tais partículas, gera uma grande área superficial, aumentando a demanda de água necessária na mistura. Problemas na pega e na resistência às primeiras idades do concreto podem ser provocados pelo chumbo e zinco (a maior parte na forma de sulfetos) presentes como impurezas nos agregados.