1. INTRODUÇÃO
2.5. FATORES QUE INFLUENCIAM O COMPORTAMENTO DO CONCRETO
2.5.4. Tipo de agregado graúdo
Ainda que as alterações microestruturais do concreto aquecido ocorram principalmente na pasta de cimento, a influência dos agregados é muito significativa, pois eles geralmente constituem até cerca de 80% do volume do concreto. Dessa forma, os agregados dominam a deformação e a condutividade térmicas do concreto, restringem a retração da pasta de cimento e podem sofrer diferentes alterações físico-químicas em função do calor de acordo com seu tipo (MORENO JR.; SOLLERO, 2016; FIB, 2007).
Alguns agregados se partem em temperaturas relativamente baixas e outros apresentam estabilidade térmica até temperaturas superiores a 600 ºC – quando a pasta de cimento já se apresenta fortemente deteriorada. Portanto, a escolha de seu tipo é provavelmente a definição mais importante a ser realizada quando da especificação do concreto, no que se refere ao seu desempenho frente ao fogo (KHOURY, 2000).
Como expõem Britez (2011), é possível que dois concretos com resistência mecânica similar possuam comportamento distinto frente ao fogo devido a alteração do tipo de agregado.
Khoury (2000) expõe que a estabilidade térmica, a baixa expansão térmica e a forma angular (não lamelar) são desejáveis para os agregados utilizados em estruturas que podem ser expostas às altas temperaturas, pois contribuem para minimizar a ocorrência de spalling e a redução da resistência mecânica do concreto.
Agregados termicamente estáveis são caracterizados por sua estabilidade química e física em altas temperaturas, determinadas através de análises termogravimétricas, termodiferenciais e dilatométricas (HAGER, 2015).
Considerando-se tal definição, a Figura 19 apresenta o comportamento de diferentes agregados em função da elevação da temperatura nos ensaios de termogravimetria (TG) e termogravimetria derivada (DTG):
Figura 19 - Termogravimetria (TG) e termogravimetria derivada de basalto, granito e dolomita britados e areia de quartzo durante aquecimento a 10 °C/min (HAGER, 2015)
Os picos nas curvas dos ensaios representam transformações químicas ou físicas sofridas pelos agregados. A dolomita, composta por carbonato de cálcio e magnésio, sofreu descarbonatação (transformação do carbonato de cálcio – CaCO3 – em óxido de cálcio – CaO – e dióxido de carbono
– CO2) em temperaturas superiores a 600 ºC, com pico próximo aos 800 ºC.
Aos 573ºC, o pequeno pico apresentado pela areia representa a transformação do quartzo-α em quartzo-β. Observa-se ainda que o granito e o basalto se apresentaram estáveis, considerando-se a variação de massa.
Khoury (1984) apresentou conclusões similares em relação à estabilidade do basalto. A Figura 20 apresenta seus resultados de análise termodiferencial realizada em agregados.
Figura 20 - Análise termodiferencial de agregado graúdo de calcário dolomítico (H-Mix
Dolomitic Limestone Aggregate), areia silicosa natural, de agregado graúdo de basalto
(BI & BII-Mix Basalt Aggregate) e areia de quartzo, adaptado de Khoury (1984)
O pico apresentado pelo calcário dolomítico perto dos 800 ºC representa sua descarbonatação. O basalto, que apresenta teores reduzidos de sílica (SiO2, quartzo) e óxido de cálcio, mostrou-se relativamente estável (Figura
20).
A Figura 21 apresenta os resultados da análise termogravimétrica realizada em agregados por Khoury.
Figura 21 - Análise termogravimétrica, da esquerda para a direita, da areia silicosa natural e do agregado graúdo de basalto, do agregado graúdo de calcário dolomítico e
A análise termogravimétrica realizada por Khoury (1984) evidencia-se a excelente estabilidade da massa do basalto, que variou apenas cerca de 0,5% durante o ensaio. O calcário perdeu massa significativamente a partir de aproximadamente 650 ºC (Figura 21).
Tal condição conduz ao tema da expansão térmica do agregado, ilustrada pela Figura 22:
Figura 22 - Expansão térmica do agregado graúdo de calcário dolomítico (Dolomitic
Limestone) e do agregado graúdo de basalto (Quartz-dolerite (Basalt)), adaptado de
Khoury (1984)
Khoury constatou que a expansão térmica do calcário dolomítico é marcantemente superior à do basalto e atinge valores que implicam em dano considerável ao concreto. Adicionalmente, a expansão residual do calcário também é muito superior à do basalto (Figura 22).
A condutividade térmica dos agregados depende da sua estrutura e tende a decrescer com a temperatura, exceto no caso de rochas amorfas e monocristalinas.
Khoury (1984) alerta que, geralmente, as rochas altamente cristalinas tem condutividade mais alta à temperatura ambiente, a qual decresce gradualmente com o aquecimento. As rochas de granulação fina e características amorfas – classificação que costuma compreender o basalto –
tem condutividade mais baixa à temperatura ambiente, a qual aumenta gradualmente com o aquecimento.
Na Figura 23 é sintetizado o comportamento de agregados de quartzo, calcário e basalto, além de agregado leve e agregado refratário, sob altas temperaturas.
Figura 23 - Comportamento de agregados durante o aquecimento. Adaptado de Khoury (1995, apud FIB, 2007)
Nota-se através da Figura 23 maior estabilidade térmica do basalto quando comparado ao calcário, seja este silicoso, dolomítico ou calcítico, atingindo até cerca de 900 ºC sem alterações significativas, além de apresentar reduzida perda de massa até os 1000 ºC, como já exposto.
Tais características tornam o uso do concreto confeccionado com basalto particularmente recomendado em estruturas que possam ser expostas às altas temperaturas, contribuindo positivamente para seu desempenho (BRITEZ, 2011; MORENO JR.; SOLLERO, 2016; FIB, 2007).
Constata-se, no entanto, que o basalto não é citado nas normas nacionais e estrangeiras pertinentes (BRITEZ, 2011) e seu comportamento em
Legenda: Estável Decarbonatação
Mudança de fase Contração Grande expansão Desgaseificação
1000 1200 Temperatura (̊C) Tipo de agregado Quartzo Calcário silicoso Calcário dolomitico Calcário calcítico Basalto Agregado Leve 1400 1600 600 Agregado refratário 200 400 800
função da elevação da temperatura é pobremente conhecido, em comparação com outros agregados (RAZAFINJATO et al, 2016).
É interessante observar que a umidade dos agregados também pode influenciar seu comportamento frente às altas temperaturas. Razafinjato et al (2016) relatam o lascamento em altas temperaturas de agregados poucos porosos contendo fluidos – água ou gases – em seu interior, como resultado do aumento de pressão interna. Os autores verificaram a ruptura aos 750 ºC de basaltos vesiculares e o lascamento explosivo de sílex de 300 ºC a 500 ºC e aos 750 ºC.
2.5.4.1. A classificação de agregados como silicosos e calcários nas normas EN 1992-1-2 e ABNT NBR 15200:2012
Basalto é uma rocha ígnea extrusiva de estrutura maciça e granulação finíssima a fina (textura afanítica), constituída de feldspato e minerais ferromagnesianos, geralmente em proporções iguais. Já o granito, é uma rocha ígnea intrusiva de estrutura maciça e textura granular (fanerítica), constituída de quartzo feldspato potássico, feldspato calcoalcalino e mica (MENEZES, 2013).
O basalto e o granito são classificados dentre as rochas silicosas por Razafinjato et al (2016), que analisaram o comportamento após exposição às altas temperaturas de 21 tipos de rochas silicosas ou calcárias, com diversas composições mineralógicas. Um resumo da classificação petrográfica das rochas é apresentada no Quadro 3.
Item Período Geológico
Classificação pelo Eurocode 2
Tipo Rocha Coloração Textura
1A
Quaternário Silicoso Aluvial
Quartzito
Branca Honeycomb, veios de quartzo
1M Branca Veios de quartzo
massivo
1QF Quartzo-
feldspática
Marrom Grãos finos
1QS Marrom Grãos graúdos
1S Sílex Marrom Criptocristalina
2Q Quartzito Branca Veios de quartzo
massivo
2G Granito Rosa Equigranular
3C Carbonífero
Calcário Britada
Calcário Preta Detrítica + grãos de quartzo 4R
Cretáceo Dolomito Branca Esparitica
4L Branca Micritica 5O Jurássico Calcário Bege Oolitica 5LB Bege Litográfica micritica 5LG Cinza 6N Quaternário Silicoso Aluvial Sílex Preta Criptocristalina 6M Marrom 6G Cinza
7S Quaternário Sílex Marrom
8G Cambriano
Britada
Granito Vermelha Equigranular 9BV
Devoniano Basalto Verde
Microlitica
9BN Preta
10R Devoniano a
Permiano Riólito Lilás
Quadro 3– Classificação petrográfica de 21 tipos de rochas, adaptada de RAZAFINJATO et al (2016)
Razafinjato et al (2016) selecionaram rochas silicosas e calcárias para estudo especificamente por serem os tipos de agregado graúdo indicados na norma EN 1992-1-2:2004 para classificar os fatores de redução da resistência à compressão do concreto em função da temperatura. A mesma classificação é adotada pela norma ABNT 15200:2012.
No que se refere à classificação “agregado silicoso”, ainda que as referidas normas e publicações como o fib Bulletin nº46 (2008, p.76) a apresentem, há evidências de que alguns pesquisadores não consideram o basalto dentro dessa categoria.
Hertz (2005, p. 450), autor do método das Zonas apresentado no Anexo B da norma EN 1992-1-2: 2004 (KLEIN JÚNIOR, 2011), afirma que granito
e basalto, entre outros agregados, possuem expansão térmica menor do que os agregados silicosos1. Entende-se, portanto, que Hertz não considerou granito e
basalto como agregados silicosos em seu estudo.
Essa interpretação é reforçada quando Hertz (2005, p.452-453) alega que, com base em seus dados, a maioria dos tipos de concreto pode ser dividida em três grupos dependendo de seus agregados: silicosos, leves e um grupo principal que compreende a maioria dos outros, como granito, basalto e calcário2.
Kowalski (2010) tem entendimento semelhante em relação ao basalto, exposto ao afirmar que as transformações sofridas pelo agregado em função da temperatura são esperadas aos 570 ºC para agregados silicosos e aos 700 ºC para os agregados basálticos.
Felicetti e Gambarova (1998) também diferenciam o agregado basáltico dos agregados silicosos, afirmando que concretos com agregados calcários possuem vantagens em relação ao concreto com agregados silicosos ou basálticos, no que se refere à relação tensão-deformação.
Khoury (1984) expõe a mesma posição ao apresentar a condutividade térmica de 5 tipos de agregados: rochas silicosas (quartzito, arenito, cascalho), rochas ígneas cristalinas (granito, gnaisse), rochas sedimentares carbonáticas (calcários, dolomitos), rochas ígneas amorfas (basaltos, diabásios) e agregados artificiais leves.
Tal ocorrência pode se justificar pelas diferenças no comportamento e na composição do granito e do basalto. Os agregados silicosos são caracterizados por conterem principalmente sílica e silicatos (ACI, 2007). A norma ABNT NBR 6502:1995 – Rochas e Solos (ABNT, 1995), voltada para engenharia geotécnica, estabelece que os basaltos são rochas básicas com porcentagem de sílica entre 45 e 52%, enquanto os granitos são rochas ácidas com porcentagem de sílica superior a 65%, um teor significativamente maior.
1 “(…) granite, basalt, limestone, and sea gravel constitute a group of
aggregates with less thermal expansion than siliceous aggregates and a concrete made with one of these suffers less damage than a siliceous concrete.” (HERTZ, 2005, p. 450)
2 “The data show that most concrete qualities can roughly be divided into
three groups depending on their aggregates: siliceous, lightweight and a main group comprising most others such as granite, basalt, limestone and sea gravel” (HERTZ,
O calcário pode ser definido como uma rocha sedimentar composta essencialmente por carbonato de cálcio (MENEZES, 2013). Para as normas EN 1992-1-2 e ABNT 15200:2012 o agregado originado desse tipo de rocha é denominado simplesmente “agregado calcário”, enquanto na norma ACI 216:2007 é classificado como “agregado carbonático” em função de sua composição.
As rochas consideradas como calcárias pela norma EN 1992-1-2: 2004 são aquelas que contém ao menos 80% de calcário em sua composição (ROBERT; COLINA, 2009).
Razafinjato et al (2016) entendem que a classificação distinta entre concreto com agregado silicoso ou calcário na norma EN 1992-1-2 foca na expansão e nas propriedades térmicas como condutividade e resistência termomecânica desses materiais. No entanto, o comportamento dos agregados não pode ser explicado apenas por sua composição química (predominantemente silicosa ou calcária), pois fatores como o tipo de sílica, a porosidade e a estabilidade térmica causam variações dentro dessas mesmas categorias.
Razafinjato et al (2016) verificaram ainda que diversos resultados na literatura usam misturas de diferentes tipos de agregados para superar as ambiguidades decorrentes da denominação, como agregados sílico-calcários, compostos por uma parcela de agregados silicosos e uma parcela de agregados calcários, em proporções variáveis. Como exemplo, podem ser citados os estudos de Gallé e Sercombe (2001), Hager (2013), Mindeguia et al (2015) e Felicetti e Lo Monte (2016). Robert e Colina (2009) relataram a classificação de agregados como silico-calcários em função de seu comportamento sob análise termogravimétrica, intermediário entre o comportamento dos agregados calcários e silicosos.
No que se refere ao desempenho de agregados calcários e silicosos, há resultados divergentes em diferentes pesquisas.
Kodur (2003) afirma que pilares executados com concreto utilizando agregado silicoso usualmente têm menor resistência ao fogo do que os confeccionados com agregado calcário dolomítico. O autor atribui esse comportamento ao maior calor específico do calcário – no caso, dolomítico–, que é aproximadamente dez vezes o necessário para alcançar a mesma temperatura
em relação ao do agregado silicoso; o aumento no calor específico decorre da dissociação da dolomita no agregado calcário e é benéfico para a prevenção do
spalling.
Abrams (1977), autor em que os gráficos apresentados na norma ACI 216-1 e reproduzidos por Mehta e Monteiro (2014) se baseiam, aponta para a maior resistência residual do concreto com agregado calcário em oposição ao concreto com agregado silicoso. Caetano, Santos e Rodrigues (2014) obtiveram resultados compatíveis com esse comportamento utilizando agregado calcário e granítico.
Xing et al (2011) alertam para a maior possibilidade de lascamento após o resfriamento do concreto confeccionado com agregados calcários, em função da reidratação do óxido de cálcio (CaO), que forma hidróxido de cálcio (Ca(OH)2) com uma expansão volumétrica de até 250%. Esse fenômeno foi
verificado de forma mais lenta e muito menos intensa em concreto com agregados silicosos.
No estudo de Xing et al (2011), a resistência à compressão residual do concreto convencional executado com agregado calcário foi superior à do concreto convencional executado com agregado silicoso, composto principalmente por quartzito, desempenho inverso ao obtido no ensaio de concreto de alta resistência
Robert e Colina (2009) realizaram estudos com concreto executado com oito agregados graúdos representativos da produção francesa. Dois de seus três tipos de concreto com agregado silicoso apresentaram desempenho superior (maior resistência à compressão residual em função da temperatura) ao previsto pela norma EN 1992-1-2: 2004 para esse tipo de agregado e para o agregado calcário. O concreto com agregado calcário, no entanto, apresentou desempenho pior do que o indicado na norma.
Com base nos pontos apresentados, Robert e Colina (2009) questionam se a classificação do agregado como silicoso ou calcário ainda deve ser considerada como parâmetro fixo no estudo de concreto em situação de incêndio.
É possível constatar, também, que muitos estudos indicam que foram utilizados agregados “silicosos”, sem fornecer quaisquer dados adicionais acerca do tipo de rocha de origem, apesar da grande variação do comportamento entre
agregados dessa composição química e das controvérsias em relação à sua classificação e denominação.
Destaca-se ainda o frequente uso de sílex como agregado silicoso em estudos europeus, cuja tradução a partir de flint é embasada por Araújo (1991). Não se trata de um agregado normalmente utilizado no Brasil para a execução de concreto com fins estruturais.
Nos estudos de Lima (2005), o agregado silicoso utilizado é granito. Wendt (2006) utilizou granito e basalto, destacando que ambos os agregados são amplamente utilizados no estado do Rio Grande do Sul. Souza (2005) utilizou argila expandida, calcário e basalto. Kirchhof (2010), Britez (2011) e Almeida (2017) utilizaram agregado graúdo basáltico.
2.5.4.2. A estabilidade térmica de sílex e granito
Khoury (2000) afirma que a estabilidade térmica do sílex é inferior à do calcário, que é inferior à estabilidade do basalto. A estabilidade do basalto, por sua vez, é inferior à do granito.
Lima (2005) expõe que os agregados silicosos que contém quartzo – granito, arenito e gnaisse – tendem a sofrer expansão pela transformação do quartzo-α em quartzo-β aos 573ºC, como relatado. Essa expansão, da ordem de 5%, pode ocasionar a fissuração e o lascamento do concreto (GRATTAN- BELLEW, 1996; LIMA, 2005; HAGER, 2013), dependendo da resistência à tração do material.
Neville (2016) expõe que o sílex possui resistência à compressão comparável à do basalto – considerando-se um basalto de características medianas, já que basaltos com baixo teor de olivina podem atingir 400 MPa enquanto basaltos decompostos não ultrapassam 100 MPa –, porém menor massa específica do que o basalto e o granito.
Xing et al (2011), no entanto, afirmam que a instabilidade térmica do sílex foi relatada em diversos trabalhos. Razafinjato et al (2016) também destacam a ocorrência de instabilidade térmica em sílex, compostos de sílica (SiO2), a cerca de 300 ºC, dependendo de sua umidade. Os autores expuseram,
no entanto, agregados de quartzito, também compostos por sílica, que superaram 750 ºC sem sofrer instabilidades – tal comportamento foi atribuído às diferenças entre o quartzo macrocristalino do quartzito e ao quartzo
microcristalino do sílex, o qual continha silanol sem estrutura cristalina e umidade em seu interior.
A influência do tamanho do grão e da porosidade do agregado pode justificar esse comportamento, como reportado por Schmidt (2014): sílex compostos por sílica criptocristalina contendo o grupo dos silanóis e porosidade muito refinada sofrem maior tensão termo-hidráulica, pois a água em evaporação não consegue passar pelos seus poros nanométricos na velocidade necessária em taxas de aquecimento mais altas, gerando pressão de vapor em seu interior.
A Figura 24 adaptada de Xing et al (2011), ilustra o comportamento de diferentes tipos de sílex expostos ao calor.
Figura 24 – Comparação de diferentes tipos de sílex expostos ao calor, adaptado de Xing et al (2011)
2.5.4.3. A classificação dos agregados pela norma BS 812-1:1975
Neville (2016) indica a classificação dos agregados naturais do ponto de vista petrográfico apresentada pela norma BS 812-1:1975 como a mais conveniente, considerando-se o foco do autor nas propriedades do concreto.
A norma BS 812-1:1975 (BSI, 1975) classifica os agregados em 11 grupos de acordo com suas características petrológicas: Artificial, Basalto,
Sílex/Flint, Gabro, Granito, Arenito, Hornfels, Calcário, Porfirítico, Quartzito e Xisto.
O Quadro 4 apresenta os tipos de agregados naturais que se classificam em cada grupo, na tradução de Neville (2016).
Grupo Agregados Grupo Agregados
Basalto Andesito Arenito (incluindo rochas vulcânicas fragmentadas) Arcósio Basalto Grauvaca
Porfiritos básicos Arenito
Diabásio Tufo Todos os tipos de doleritos, incluindo teralito e teschenito Porfirítico Aplito Dacito Felsito Epidiorito Granófiro Lamprófiro Queratófiro Quartzo-dolerito Microgranito Espilito Pórfiro Granito Gnaisse Quartzo-porfírico Granito Riolito Granodiorito Traquito Granulito Gabro Diorito básico
Pegmatito Gnaisse básico
Quartzo-diorito Gabro Sienito Hornblenda Calcário Dolomito Norito Calcário Peridotito Mármore Picrito Xisto Filito Serpentinito Xisto Hornfels Todos as rochas de contato alteradas, exceto mármore Ardósia Todas as rochas altamente cisalhadas Quartzito Quartzito Sílex/ Flint
Chert Arenito quartzítico
Sílex/ Flint Quartzito
recristalizado Quadro 4 - Classificação de agregados por características petrográficas (BSI, 1975;
NEVILLE, 2016), adaptado pela autora
A denominação do agregado graúdo por seu grupo ou família ao longo da pesquisa foi um recurso utilizado por Britez (2011), cujo agregado da família do basalto utilizado classifica-se petrograficamente como diabásio. Nos estudos em que não foi realizada análise petrográfica do agregado graúdo, é comum não ser esclarecido se a denominação utilizada se refere à família do agregado ou ao agregado em si.
2.5.4.4. Diferenciação entre basalto, diabásio e gabro
A norma ABNT NBR 6502:1995 (ABNT, 1995), que define termos relativos a solos e rochas para engenharia geotécnica – como já exposto–, e a norma ABNT NBR NM 66:1998 (ABNT, 1998), que aborda terminologia para constituintes mineralógicos dos agregados naturais, não utilizam a classificação por famílias ou grupos como a norma BS 812-1:1975, focando-se na divisão por origem e, quando aplicável, gênese, forma de ocorrência, composição química ou conteúdo de sílica, granulação ou textura, tonalidade e estrutura. Trata-se, portanto, de uma classificação mais detalhada e que incorpora conceitos de Geologia.
Entre as rochas descritas pela norma ABNT NBR NM 66:1998 (ABNT, 1998), destaca-se a definição de basalto como uma rocha ígnea extrusiva de granulação fina equivalente ao gabro e ao diabásio. O gabro é definido como uma rocha ígnea intrusiva constituída essencialmente por plagioclásio e minerais ferromagnesianos com granulação média a grossa, diferenciando-se do diabásio pela textura, que se torna média a fina. Nota-se a diferente abordagem quando comparada à norma BS 812-1:1975 (BSI, 1975), que relaciona diretamente os três tipos de rocha apenas ao apresentar o diabásio como um basalto ou dolerito alterado.
Motoki (2004) defende que a classificação mais conhecida das rochas ígneas é baseada em sua textura, orientando-se pelas diretrizes da International
Union of Geological Sciences Subcommission on the Systematics of Igneous Rocks, autora da publicação Ignous Rocks – A Classification and Glossary of Terms. Motoki (2004) expõe ainda que os critérios texturais importantes para a
classificação das rochas ígneas são a cristalinidade, a homogeneidade granulométrica e a granulometria.
Analisando-se a norma ABNT NBR NM 66:1998 e as considerações de Motoki, percebe-se que o critério textural de maior destaque na norma ABNT NBR NM 66:1998, no que se refere ao basalto, o diabásio e o gabro, é sua granulometria.
A granulometria das rochas ígneas decorre da velocidade de resfriamento do magma durante a formação dos cristais; o resfriamento rápido implica em granulometria fina, enquanto o resfriamento lento proporciona uma
granulometria grossa, característica que pode ser afetada pelos materiais voláteis presentes no magma.
Em função do gradiente de temperatura apresentado pelo magma durante seu resfriamento, o qual tende a ser mais frio nas bordas e mais quente no centro, há regiões em que podem ser encontrados basalto, diabásio e gabro com passagem gradativa, formados no mesmo local (MOTOKI, 2004). A Figura 25 ilustra a variação granulométrica gradativa observada em um dique basáltico, no qual se constata a presença de basalto, dolerito – que, nesse caso, é uma denominação do diabásio – e gabro.
Figura 25 – Variação granulométrica gradativa dentro de um dique de composição