ESTUDO DA FORMAÇÃO DA ETRINGITA TARDIA
EM CONCRETO POR CALOR DE HIDRATAÇÃO DO
CIMENTO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Geotecnia e Construção Civil da Universidade Federal de Goiás, para obtenção do título de Mestre em Geotecnia e Construção Civil.
Área de concentração: Construção Civil
Orientadora: Profa. Dra. Nicole Pagan Hasparyk Co-orientadora: Profa. Dra. Helena Carasek
D0017C10
GOIÂNIA
SANDRA KUROTUSCH DE MELO
ESTUDO DA FORMAÇÃO DA ETRINGITA TARDIA EM CONCRETO POR CALOR DE HIDRATAÇÃO DO CIMENTO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, Mecânica das Estruturas e Construção Civil da Universidade Federal de Goiás para obtenção do título de Mestre em Geotecnia e Construção Civil.
Área de concentração: Construção Civil Orientadora: Dra. Nicole Pagan Hasparyk
Aprovada em 05 de julho de 2010
_________________________________________________ Prof. Dra. Nicole Pagan Hasparyk (Presidente) Universidade Federal de Goiás
_________________________________________________ Prof. Dra. Helena Carasek (Co-orientadora) Universidade Federal de Goiás
_________________________________________________ Prof. Dr. Daniel de Lima Araújo (Membro interno) Universidade Federal de Goiás
_________________________________________________ Profa. Dra. Denise C. C. Dal Molin (Membro externo)
Universidade Federal do Rio Grande do Sul
_________________________________________________ Eng. Walton Pacelli de Andrade (Convidado) Engeconsol - Engenharia de Concreto e Solos Ltda.
AGRADECIMENTOS
A Deus, criador de tudo o quanto existe, minha eterna gratidão pela existência e por nunca me sentir só.
Como seres interdependentes que somos, nenhuma ação nossa se projeta sem interferir em nossa volta. Da mesma forma, nenhum trabalho se realiza sem a contribuição dos que seguem conosco ombro a ombro, na realização das tarefas e dos que permanecem na retaguarda, dando-nos sustentação e segurança. Assim, quero agradecer nominalmente a todos que me auxiliaram na realização desta pesquisa.
Ao Moacir (Xim), pela confiança e por proporcionar a realização deste trabalho, disponibilizando todos os recursos materiais e humanos para que o programa experimental fosse desenvolvido com qualidade. Sem a sua valiosa intervenção, esta pesquisa não se realizaria.
À professora Nicole, pelo incentivo, pela orientação dedicada e criteriosa, pela companhia e carinho, sobretudo na finalização deste trabalho. Sua maneira firme e decidida diante dos desafios e sua lealdade me propiciaram mais experiência no meu aprendizado, despertando em mim admiração e respeito.
À professora Helena, por quem tenho profundo respeito e admiração, não só pela competência, mas pelo seu bom-senso, segurança e pela disposição em ouvir e aprender sempre. Obrigada Helena, pela orientação, pelo apoio e compreensão, e por que não dizer, pelos gestos de amizade, proporcionando-me fôlego para realizar esta pesquisa.
À Heloísa, pela dedicação, competência e paciência na extensa e quase interminável análise das difrações de Raios X, sobretudo pelo companheirismo e amizade.
À Cristiane, pela amizade, capricho e paciência na realização dos ensaios de microscopia eletrônica de varredura (MEV).
Ao Renato, pela gentileza e disposição em solucionar os problemas com os equipamentos utilizados.
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À Ziza, pela força e pelo tempo dedicado em me socorrer nos momentos críticos na finalização da pesquisa.
À Fernanda (Fernandinha) e ao André, pela companhia agradável, pela ajuda e capricho na seleção e preparação de amostras para os ensaios de microscopia eletrônica de varredura e difração de Raios X.
Aos meninos do Bloco 8: André, Alicio, Cícero e Danilo, pelos ensaios e disposições para sanarem as dúvidas que eventualmente surgiam. Em especial ao Tizzo, pela companhia ao longo dos ensaios e ao Marco Aurélio, pelos esclarecimentos sobre os ensaios de resistência e módulo.
Aos meninos do Bloco 7: Luís Antônio, pelos ensaios criteriosos de resistência e compressão e módulo; Luciano, Florismar, Anderson e Polaco, pelo trabalho cansativo na dosagem dos concretos, algumas vezes com abdicação do horário do almoço. Ao Josean, Joaquim, Geórgeo e Raíssa, pelo auxílio nos ensaios.
Ao Alfredo, com quem aprendi muito, pela sua atuação competente e segura nos estudos e ajustes de dosagem.
Ao Marcelo, pela gentileza ao oferecer os aditivos químicos para continuidade da pesquisa. Ao Gambale e Maurice, pelos esclarecimentos em torno da elevação adiabática de temperatura do concreto.
Ao Alexandre de Castro, pelas orientações e esclarecimentos no campo da estatística.
Aos meninos do Bloco 22: Jésus e Jesus, pela britagem e preparação dos materiais e ao Édson pela competente extração dos corpos-de-prova.
Aos meninos do Bloco 5: Zitto pela motivação diante dos desafios na realização dos ensaios de elevação adiabática de temperatura; ao Gilberto e Leandro, pelos ensaios.
Aos meninos do bloco 30: Aloísio e Gabriel, pelo auxílio na realização dos ensaios de cura térmica e expansão das pastas.
Ao Nilvan, pela abdicação do horário de trabalho e auxílio prestado na impressão deste trabalho para a defesa.
Ao Programa de Pós-Graduação em Geotecnia e Construção Civil da Universidade Federal de Goiás e todo o seu corpo técnico, pela oportunidade ímpar de cursar o mestrado e pela convivência agradável.
Ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás (IFG), especialmente ao Departamento da Área III e Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação, pelo apoio e liberação para cursar o mestrado.
À FURNAS Centrais Elétricas S.A., pela viabilização dos materiais, realização de todos os ensaios e disponibilização de seu corpo técnico.
Aos amigos e colegas do IFG que me incentivaram a fazer o mestrado: Fernanda, Glydson, Squeff, Bárbara, Valdeir, Afonso e Nelson.
À Maura, amiga carinhosa, pelo incentivo durante a realização do mestrado, ouvindo-me nos momentos de dificuldades.
À minha dedicada sogra Elisabeth, amiga de sempre, pelo carinho, pela força e por oferecer lazer aos meus filhos, suavizando a minha falta.
Às minhas valiosas filhas Mariana, Marina e Carolina e, também, meu filho Endre, pela renúncia, compreensão, companheirismo, força e carinho.
Ao meu esposo André, pessoa especial, pelo amor, pela renúncia, por ter ouvido meus desabafos, pelas leituras e opiniões em diversos trechos deste trabalho e pelos desenhos realizados.
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RESUMO
MELO, S.K. Estudo da formação da etringita tardia em concreto por calor de hidratação do cimento. 2010. Dissertação (Mestrado em Geotecnia e Construção Civil) - Programa de Pós-Graduação em Geotecnia e Construção civil, UFG, Goiânia.
A formação da etringita tardia - Delayed Ettringite Formation (DEF) é um tipo especial de ataque por sulfato interno, em que os íons SO42- são provenientes do cimento. O processo se distingue pela neoformação da
etringita em concretos curados termicamente às elevadas temperaturas e expostos às altas umidades na etapa de serviço. Tal fenômeno pode promover expansão e consequente fissuração, culminando na ruptura e lascamento do material, levando-o à severa deterioração. Este trabalho, de caráter experimental, objetivou investigar a formação da etringita tardia em concretos de cimento Porltand pozolânico, contendo cinza volante, submetido à elevação da temperatura devido ao calor de hidratação do cimento. Para isso, foram produzidos dois concretos bombeados, contendo agregados basálticos, e com consumos de cimento de 350 kg/m3 e 450 kg/m3, com os quais foram moldados dois corpos-de-prova (CPs) de 200 litros, que foram, separadamente, submetidos aos ensaios de elevação adiabática de temperatura. Após o ciclo de cura térmica nestes ensaios, deles foram extraídos corpos-de-prova para a avaliação da resistência à compressão e módulo de elasticidade, além de investigações microestruturais por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e difração de Raios X (DRX) durante 270 dias. Adicionalmente, foram moldadas duas séries de corpos-de-prova cilíndricos e prismáticos com o primeiro concreto, sendo que uma foi armazenada na câmara adiabática juntamente com o CP de 200 L e a outra curada continuamente em câmara úmida, servindo de referência para as análises do comportamento mecânico e investigações microestruturais dos CPs cilíndricos. Os CPs prismáticos foram utilizados para a avaliação da variação de massa, velocidade ultrassônica e expansão. Para complementar a pesquisa, realizou-se, também, um estudo específico em pastas de cimento, sendo moldadas três séries de CPs cilíndricos, que foram submetidas a três diferentes ciclos de cura seguidas por uma avaliação da variação de massa e velocidade ultrassônica, além de investigações microestruturais por MEV e DRX. Os principais resultados mostraram que o aumento da temperatura interna do concreto, acima de 60ºC, por calor de hidratação do cimento, propiciou a formação da etringita tardia, constatada pela presença de etringita neoformada durante as análises microestruturais, porém sem efeito negativo sobre as propriedades mecânicas avaliadas até a idade investigada de 270 dias. O estudo de pasta comprovou que as altas temperaturas influem na porosidade da microestrutura da matriz cimentícia e sobre o tipo de produto formado, favorecendo a formação de aluminatos hidratados ao final do ciclo térmico e da etringita durante a estocagem sob alta umidade. A sugestiva presença da taumasita, em idades mais avançadas, parece indicar que este sulfocarbonato de cálcio e sílica hidratado pode acompanhar o processo de DEF.
ABSTRACT
MELO, S.K. Study of delayed ettringite formation in Portland cement by hydration heat. 2010. Dissertação (Mestrado em Geotecnia, Mecânica das Estruturas e Construção Civil) – Programa de Pós-Graduação em Geotecnia e Construção civil, UFG, Goiânia.
Delayed ettringite formation (DEF) is a special type of an internal sulfate attack with SO42- ions from cement.
This process is distinguished by neoformation of ettringite in concrete thermally cured at high temperature levels and exposed to high moisture in service life. This phenomenon can promote expansion and cracking, leading to rupture and spalling, achieving severe deterioration. This research had an experimental approach with the purpose to investigate DEF in concretes with pozzolanic Portland cement containing fly ash. These concretes were undergone to temperature rise by heat of hydration. It was produced two types of pumped concrete with cement content of 350 kg/m3 and 450 kg/m3 containing basaltic aggregate. Two big specimens were cast containing 200 liters of concrete and were immediately submitted to adiabatic temperature rise tests. After that, several specimens were drilled from them in order to evaluate compressive strength and elasticity modulus, as well as microstructural investigations by scanning electron microscopy (SEM) and X Ray diffraction (XRD) along 270 days. In addition, it was cast several cylindrical and prismatic samples with concrete containing 350 kg/m3of cement. Some of them were stored at the same condition of those during the thermal cure and others were conditioned in a moist room as reference, for properties and microstructural investigation. Prismatic ones were submitted to mass variation study, ultrasonic wave tests and also expansion tests. In order to complement this experimental program, a specific study on cement pastes was performed. This involved casting three series of cylindrical samples submitted to different cure cycles followed by evaluation of mass variation, ultrasonic velocity and also microstructure investigation by SEM and XRD. Main results proved that rising internal temperature of concrete by hydration heat above 60ºC promote delayed ettringite formation by microstructural analyses, although this formation had not caused negative consequences on mechanic properties of concretes up to age of 270 days evaluated. The study on the cement pastes confirmed that high temperatures affects the microstructure of cement matrix and also the formed products, collaborating to the formation of hydrated alumina phases besides ettringite. The presence of suggestive thaumasite at advanced ages seems to indicate that this calcium silicate sulfo-carbonate hydrate can accompany DEF process.
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S. K Melo
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Mineral etringita: a) encontrado na região de Kuruman; b) encontrado na Alemanha. Disponível em: http://www.rc.unesp.br/museudpm/banco/grm.html acesso em 25/07/2009 ... 34 Figura 2.2 - Cristais prismáticos de etringita em pasta de cimento:a) pasta de cimento
pozolânico; b) disponível em <
http://www.fhwa.dot.gov/pavement/pccp/pubs/04150/chapt14.cfm >acesso em 10/09/09... 35 Figura 2.3 - Estrutura do cristal de etringita. a) parte de uma coluna: A=Al; C= Ca; H=OH e W=O. b) projeção no plano ab (TAYLOR, 1997) ... 36 Figura 2.4 - Curva de perda de massa da etringita -TG; 10 K/min. (TAYLOR, 1997). ... 36 Figura 2.5 - Formação de hidratos durante a hidratação do cimento Portland comum (ODLER, 2007) ... 37 Figura 2.6 - Diagrama esquemático da influência do CO2 sobre a hidratação do C3A
(KUZEL, 1995)... 41 Figura 2.7 - Diagrama esquemático ilustrando os vários tipos de Ataque por sulfato que ocorrem em concretos (THAULOW; JOHANSEN; JACOBSEN, 1997) ... 42 Figura 2.8 - Micrografia de uma amostra de pilar de ponte que sofreu DEF (THOMAS et al., 2008) ... 43 Figura 2.9 - Diagrama ternário de DEF como um ataque por sulfato interno (ISA) (COLLEPARDI, 2003) ... 44 Figura 2.10 - Expansões típicas de argamassas a diferentes temperaturas: a) adaptado de Yang et al. (1999); b) adaptado de Kelhan (1996) ... 49 Figura 2.11 - Diagrama esquemático ilustrando o mecanismo sugerido POR Taylor et al. para expansão em uma pasta de argamassa devido a DEF (TAYLOR; FAMY; SCRIVENER, 2001): a) microestrutura da pasta imediatamente após a cura térmica; b) microestrutura da pasta após estocagem à temperatura ambiente ... 52 Figura 2.12 - Desenho esquemático do mecanismo de expansão uniforme de argamassa ou concreto por DEF (TAYLOR; FAMY; SCRIVENER, 2001) ... 53 Figura 2.13 - Fluxograma do processo de DEF ... 54 Figura 2.14 - Esquema global do mecanismo de degradação proposto por Brunetaud (BRUNETAUD, 2005) ... 56 Figura 2.15 - Influência do CO2 sobre DEF segundo Kuzel: a) diagrama esquemático do
processo; b) substituição dos íons SO42- por CO32- (KUZEL, 1995) ... 57
Figura 2.16 - Efeito do teor de SO3 sobre a expansão em argamassas curadas a 90ºC por 12
horas (KELHAN, 1999) ... 62 Figura 2.17 - Expansões em barras de argamassa variando-se SO3 (LEWIS; SCRIVENER,
Figura 2.18 - Efeito do teor de álcalis sobre a expansão após cura a várias temperaturas (KELHAN, 1999) ... 64 Figura 2.19 - Expansão ao longo do tempo para argamassas curadas a 85ºC por 4 horas e estocagem após três ciclos de molhagem/secagem (TOSUN, 2006)... 65 Figura 2.20 - Influência da temperatura de cura e a idade sobre a expansão (HOBBS, 2001)67 Figura 2.21 - Influência da temperatura e período de cura sobre a expansão: a) temperatura; (b) influência do período de cura para temperatura próxima de 100ºC (LAWRENCE, 1995) 68 Figura 2.22 - Influência das condições de estocagem. Valores médios das expansões de argamassas curadas por 12 horas a 90ºC e depois armazenada a temperatura ambiente em diferentes condições, onde [P] KOH = solução do poro simulada (460 mmol/l KOH); [2P]KOH = 920 mmol/L KOH (FAMY et al. 2001) ... 71 Figura 2.23 - Efeito da expansão aos 700 dias de idade sobre a resistência do concreto afetado por DEF (BRUNETAUD, 2005) ... 74 Figura 3.1 - Curva granulométrica do cimento CP IV-32 ... 81 Figura 3.2 - Índice de pozolanicidade Fratini: curva de isoterma de solubilidade ... 82 Figura 3.3 - Ensaios de resistência do CP IV ao ataque por sulfato: a) Método ASTM1012 e NBR15383: verificação da variação da dimensão linear; b) método Koch e Steinegger : b1) cura inicial das barras em água devidamente destilada e deionizada; b2) ensaio de resistência à tração na flexão ... 84 Figura 3.4 - Características dos agregados: a) aspecto da forma geométrica da brita; b) areia artificial; c) aspecto pulverulento da areia ... 85 Figura 3.5 - Reatividade potencial das argamassas produzidas com o cimento padrão e o CP IV ... 89 Figura 3.6 - Fluxograma do programa experimental em seu aspecto geral ... 91 Figura 3.7 - Fluxograma referente às etapas do “Estudo 1”: a) “CPs filhos 350” ; b) “CP mãe 350” e “CPs extraídos 350” ... 93 Figura 3.8 - Moldagem do “CP mãe 350” e do “CP controle 350”: a) enchimento do molde do “CP mãe 350”; b) embutimento dos tubos galvanizados presos ao dispositivo para içamento e movimentação; c) adensamento da última camada; d) colocação do termômetro PT 100 no “CP controle 350” ... 97 Figura 3.9 - Corte esquemático do calorímetro adiabático de FURNAS (EQUIPE DE FURNAS, 1997) ... 99 Figura 3.10 - Ciclo teórico de temperatura de cura do “concreto 350” ... 100 Figura 3.11 - Colocação dos CPs no calorímetro: a) transporte do “CP mãe 350”; b) introdução dos termômetros RTD nos tubos; c) armazenamento dos “CPs filhos 350”; d) sala de controle e registro das temperaturas. ... 101 Figura 3.12 - Extração dos CPs do “CP mãe 350”: a) extração por meio de broca; b) identificação dos cilindros ... 102 Figura 3.13 - Extração dos corpos-de-prova do “CP mãe 350”: a) corte dos cilindros; b) “CPs extraídos 350” ... 103 Figura 3.14 - “CPs extraídos 350”: a) posição do dentro do “CP mãe 350 ”; b) grupo de CPs por idade ... 103
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Figura 3.15 - Código de identificação dos corpos-de-prova do “concreto 350” ... 105 Figura 3.16 - Ensaio de Resistência e módulo: a) fixação do extensômetro; b) curva genérica de carregamento. ... 110 Figura 3.17 - Extração de fragmentos dos CPs do ”concreto 350” para análise no MEV .... 112 Figura 3.18 - Seleção de amostras para MEV e DRX: a) identificação dos fragmentos; b) amostra (seção de fratura) para MEV ... 113 Figura 3.19 - Preparação das amostras de seção de fratura do “concreto 350” para análise no MEV: a) colagem da amostra; b) porta-amostra contendo seções de fratura ... 113 Figura 3.20 - Fluxograma do programa experimental do “Estudo 2” ... 116 Figura 3.21 - Corpos-de-prova extraídos do “concreto 450”: a) posição do “CP extraído 450” dentro do “CP mãe 450” ; b) grupo de CPs por idade ... 118 Figura 3.22 - Fluxograma do “Estudo 3” ... 120 Figura 3.23 - Ciclos de cura completos das situações de “referência” e “ataque” (A60 e A80) da pasta ... 122 Figura 3.24 - Ciclos de cura das situações de “referência” e “ataque” (A60 e A80) da pasta: temperaturas nas primeiras 24 horas de cura ... 123 Figura 3.25 - Câmara climática: a) aspecto geral do equipamento; b) display ... 124 Figura 3.26 - Barras da pasta “A80” danificadas durante a cura térmica: a) aspecto geral; b) abertura da fissura. ... 124 Figura 4.1 - Comportamento térmico do “concreto 350” durante a cura ... 129 Figura 4.2 - Expansão do “concreto 350”: situações de “referência” e “ataque” ... 131 Figura 4.3 - Variação de massa do “concreto 350” em percentual relativo a 90 dias de idade ... 133 Figura 4.4 - Velocidade ultrassônica do “concreto 350”: situações de “referência” e de “ataque” ... 134 Figura 4.5 - Resistência à compressão do “concreto 350”: situações de “referência” e de “ataque” ... 136 Figura 4.6 - Módulo de elasticidade do “concreto 350”: situações de “referência” e de “ataque” ... 137 Figura 4.7 - Correlações entre os módulos de elasticidade e resistências à compressão dos CPs do “concreto 350” ... 139 Figura 4.8 - Micrografia do “concreto 350” da situação de “referência” aos 90 dias: a) partículas de CV em reação e cristais sugestivos de mono; b) espectro da microanálise por EDX do produto (X) sobre a cinza volante ... 141 Figura 4.9 - Micrografia do “concreto 350” da situação de “referência” aos 90 dias: poro vazio, partículas de cinza volante cobertas por produtos e cavidades esféricas deixadas pelas partículas ocas completamente reagidas. ... 142 Figura 4.10 - Micrografia do “concreto 350” da situação de “referência” aos 140 dias: poro vazio e partículas de cinza volante (CV) não reagidas ... 143
Figura 4.11 - Micrografia do “concreto 350” da situação de “referência” aos 190 dias, mostrando cristais finos de etringita entrelaçados: a) na pasta; b) formando uma faixa contornando um agregado ... 144 Figura 4.12 - Micrografia do “concreto 350” da situação de “referência” aos 190 dias: a) placas de monossulfato cravadas na pasta; b) espectro da microanálise por EDX do produto (X) da Figura 4.12a ... 145 Figura 4.13 - Micrografia do “concreto 350” da situação de “referência” aos 190 dias: a) cristais sugestivos de monossulfoaluminato; b) espectro da microanálise por EDX do produto (X) da Figura 4.13a ... 146 Figura 4.14 - Micrografia do “concreto 350” da situação de “referência” aos 190 dias, mostrando poros vazios e finos cristais sugestivos de etringita na pasta. ... 147 Figura 4.15 - Micrografia do “concreto 350” da situação de “referência” aos 270 dias, mostrando poro vazio ... 148 Figura 4.16 - Micrografia do “concreto 350” da situação de “ataque” aos 90 dias, mostrando poros contendo cristais neoformados de etringita e produtos porosos oriundos da reação pozolânica (RP) ... 149 Figura 4.17 - Micrografia do “concreto 350” da situação de “ataque” aos 90 dias: aglomerados de monossulfatos na pasta ... 150 Figura 4.18 - Micrografia do “concreto 350” da situação de “ataque”aos 90 dias: a) etringita neoformada em cavidade da pasta e partículas de CV não reagidas; b) espectro da microanálise por EDX do produto (X) da Figura 4.18a ... 151 Figura 4.19 - Micrografia do “concreto 350” da situação de “ataque” aos 140 dias: a) fase intermediária entre AFm e AFt na pasta; b) espectro da microanálise por EDX do produto (X) da Figura 4.19a ... 152 Figura 4.20 - Micrografia do “concreto 350” da situação de “ataque” aos 140 dias: a) produto sugestivo de fase entre transição entre AFm e AFt; b) aglomerados sugestivos de monossulfato contornando agregado (A) ... 153 Figura 4.21 - Micrografia do “concreto 350” da situação de “ataque” aos 190 dias: a) poro contendo etringita comprimida; b) espectro da microanálise por EDX do produto (X) da Figura 4.21a ... 154 Figura 4.22 - Micrografia do “concreto 350” da situação de “ataque” aos 190 dias: a) etringita neoformada; b) espectro da microanálise por EDX do produto (X) da Figura 4.22a ... 155 Figura 4.23 - Micrografia do “concreto 350” da situação de “ataque” aos 190 dias, mostrando fase sugestiva do monossulfato ... 156 Figura 4.24 - Micrografia do “concreto 350” da situação de “ataque” aos 190 dias: a) fase sulfoaluminato, podento representar a etringita ou a taumasita; b) espectro da microanálise por EDX do produto (X) da Figura 4.24a ... 157 Figura 4.25 - Micrografia do “concreto 350” da situação de “ataque” aos 270 dias: a) e b) cristais neoformados de etringita nos poros ... 159 Figura 4.26 - Micrografia do “concreto 350” da situação de “ataque” aos 270 dias: a) fase sugestiva da taumasita; b) espectro por EDX da região destacada (X) da Figura 4.26a ... 160
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Figura 4.27 - Micrografia do “concreto 350” da situação de “ataque” aos 270 dias: a) e b) grande concentração de acículas sugestivas de etringita na pasta ... 161 Figura 4.28 - Micrografia do “concreto 350” da situação de “ataque” aos 270 dias: a) placa sugestiva de monossulfato e produto sugerindo transição de fases sulfoaluminatos; b) região com grande pulverulência ... 162 Figura 5.1 - Comportamento térmico do “concreto 450” durante a cura ... 171 Figura 5.2 - Comportamento mecânico “concreto 450”: a) resistência à compressão; b) módulo de elasticidade estático ... 173 Figura 5.3 - Micrografia do “concreto 450” aos 28 dias: a) mostrando produto de reação pozolânica (RP) e produto sugestivo do monossulfato; b) cristais neoformados de etringita no poro. ... 175 Figura 5.4 - Micrografia do “concreto 450” aos 28 dias: a) aglomerado de fase sulfoaluminato; b) espectro da microanálise do produto (X) da Figura 5.4a ... 176 Figura 5.5 - Micrografia do “concreto 450” aos 90 dias: aspecto geral: pulverulência e alguns poros contendo deposições na forma de cristais aciculares ... 177 Figura 5.6 - Micrografia do “concreto 450” aos 90 dias: a) poro contendo cristais neoformados de etringita, acompanhado de fissura; b) espectro da microanálise do produto (X) da Figura 5.6a ... 178 Figura 5.7 - Micrografia do “concreto 450” aos 90 dias: poro contendo cristais neoformados de etringita, acompanhado de fissuras radiais ... 179 Figura 5.8 - Micrografia do “concreto 450” aos 140 dias: a) poro contendo cristais de etringita com morfologia triangular; b) duas diferentes morfologias de cristais de etringita em poros de tamanhos iguais ... 180 Figura 5.9 - Micrografia do “concreto 450” aos 140 dias, mostrando poro contendo cristais massivos de etringita e um microfissura partindo dele, além de pulverulência ... 181 Figura 5.10 - Micrografia do “concreto 450” aos 140 dias, mostrando cristais de etringita em região de descolamento de agregado e poro contendo etringita neoformada... 182 Figura 5.11 - Micrografia do “concreto 450” aos 190 dias: a) aspecto geral da amostra; b) poro de 100 mm contendo aglomerações de cristais depositados ... 183 Figura 5.12 - Micrografia do “concreto 450” aos 190 dias de idade: a) detalhe dos cristais do fundo do poro da Figura 5.15; b) espectro da microanálise do produto (X) da Figura 5.12a 184 Figura 5.13 - Micrografia do “concreto 450” aos 190 dias: a) fases contendo sulfato; b) espectro da microanálise por EDX do produto (X) da Figura 5.13a ... 185 Figura 5.14 - Micrografia do “concreto 450” aos 270 dias: a) poro de aproximadamente 10 mm, contendo etringita comprimida; b) espectro da microanálise por EDX do produto (X) da Figura 5.14a ... 186 Figura 5.15 - Micrografia do “concreto 450” aos 270 dias: a) poro de com 10 mm contendo etringita massiva e presença de fissura; b) cristais sugestivos de etringita ou taumasita ... 187 Figura 6.1 - Difratogramas das pastas de “referência”, “A60” e “A80” com 1 dia de idade: (E: etringita; C-S-H; CxAyHz: aluminato de cálcio hidratado; C2AF, C-A-S-H: silicoaluminato
Figura 6.2 - Difratogramas das pastas de “referência”, “A60” e “A80” com 8 dias de idade: (CxAyHz: aluminato de cálcio hidratado; E: etringita; C-S-H; CB: carboaluminato de cálcio
hidratado; C2AF, C-A-S-H: silicoaluminato de cálcio hidratado; Mu: mulita; CH: portlandita;
Q: quartzo; C3S; C2S;) ... 195
Figura 6.3 - Micrografia da pasta de referência com 8 dias de idade: aspecto geral ... 196 Figura 6.4 - Micrografia da pasta de “referência” aos 8 dias: a cristais massivos de CH; b) espectro da microanálise por EDX do produto (X) da Figura 6.4a ... 197 Figura 6.5 - Micrografia da pasta de “referência” aos 8 dias, mostrando partícula de cinza volante (CV) envolvida por cristais de CH ... 198 Figura 6.6 - Micrografia da pasta de “referência” aos 8 dias: a) cristais sugestivos de etringita na pasta e sobre partículas de CV; b) camada de C-S-H cobrindo parcialmente partículas de CV, contendo cristais de etringita em suas superfícies ... 199 Figura 6.7 - Micrografia da pasta de “referência” aos 8 dias: aglomerado de cristais de monossulfato; b) espectro da microanálise por EDX do produto (X) da Figura 6.7a ... 200 Figura 6.8 - Micrografia da pasta “A60” aos 8 dias: aspecto geral ... 201 Figura 6.9 - Micrografia da pasta “A60” aos 8 dias: a) cristais prismáticos de CH; b) espectro da microanálise por EDX do produto (X) da Figura 6.9a ... 202 Figura 6.10 - Micrografia da pasta “A60” aos 8 dias, mostrando cristais de CH: a) forma aglomerada; b) placa hexagonal de CH dentro de poro ... 203 Figura 6.11 - Micrografia da pasta “A60 “aos 8 dias: a) placas de CH empilhadas e cristais sugestivos de etringita na pasta; b) espectro da microanálise por EDX do produto (X) da Figura 6.11a ... 204 Figura 6.12 - Micrografia da pasta “A60” aos 8 dias: a) grão de Hadley; b) espectro da microanálise por EDX do produto (X) da Figura 6.12a ... 205 Figura 6.13 - Micrografia da pasta “A60” aos 8 dias: a) cristais de sugestivos de monossulfato nos espaços de um grão de Hadley; b) produto de reação pozolânica e cristais sugestivos de etringita na pasta ... 206 Figura 6.14 - Micrografia da pasta “A80” aos 8 dias: placas de CH e produtos de reação pozolânica ... 207 Figura 6.15 - Micrografia da pasta “A80” aos 8 dias: a) fase sulfoaluminato na pasta; b) espectro da microanálise por EDX do produto (X) da Figura 6.15a ... 208 Figura 6.16 - Difratogramas das pastas de “referência”, “A60” e “A80” com 28 dias de idade: (CxAyHz: aluminato de cálcio hidratado; E: etringita; C-S-H; CB: carboaluminato de cálcio
hidratado; C2AF, C-A-S-H: silicoaluminato de cálcio hidratado; Mu: mulita; CH: portlandita;
Q: quartzo; C3S; C2S;) ... 210
Figura 6.17 - Difratogramas das pastas de “referência”, “A60” e “A80” com 140 dias de idade: (CxAyHz: aluminato de cálcio hidratado; E: etringita; C-S-H; CB: carboaluminato de
cálcio hidratado; C2AF, C-A-S-H: silicoaluminato de cálcio hidratado; Mu: mulita; CH:
portlandita; Q: quartzo; C3S; C2S;) ... 211
Figura 6.18 - Micrografia da pasta “referência” aos 140 dias, mostrando o aspecto geral da pasta e cristais sugestivos de etringita no poro ... 212 Figura 6.19 - Micrografia da pasta “referência” aos140 dias, mostrando grandes placas agrupadas de CH e cristais de etringita no poro ... 213
__________________________________________________________________________________________
Figura 6.20 - Micrografia da pasta “A60” aos 140 dias: a) aspecto geral; b) cristais longos sugestivos de etringita ... 214 Figura 6.21 - Micrografia da pasta “A60” aos 140 dias:cristais de etringita; b) espectro da microanálise do produto (X) da Figura 6.21a ... 215 Figura 6.22 - Micrografia da pasta “A80” aos 140 dias: acículas dispersas na pasta, sugestivas de etringita e/ou taumasita ... 216 Figura 6.23 - Micrografia da pasta “A80” aos 140 dias: a) e b) poros contendo cristais de etringita com morfologia prismática ... 217 Figura 6.24 - Variação de massa das pastas de “referência”, “A 60” e “A 80” até a idade de 182 dias: a) em termos absolutos; b) em termos percentuais ... 223 Figura 6.25 - Velocidades ultrassônicas das pastas das situações de “referência” e “ataque” ... 225
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Casos de formação de etringita tardia em concretos moldados in loco no Reino
Unido (HOBBS, 2001). ... 47
Tabela 3.1 - Propriedades químicas do cimento CP IV-32 ... 78
Tabela 3.2 - Propriedades físicas e mecânicas do cimento CP IV-32... 81
Tabela 3.3 - Propriedades físicas dos agregados graúdos ... 86
Tabela 3.4 - Propriedades físicas dos agregados miúdos (areia artificial) ... 86
Tabela 3.5 - Propriedades físicas dos aditivos químicos. ... 89
Tabela 3.6 - Propriedades químicas da água ... 90
Tabela 3.7 - Tipo e quantidade de CPs utilizados na avaliação das propriedades do “concreto 350”endurecido ... 94
Tabela 3.8 - Traço unitário do “concreto 350” ... 95
Tabela 3.9 - Características do “concreto 350”no estado fresco. ... 96
Tabela 3.10 - Aleatorização dos cilindros para a camada 1 ... 104
Tabela 3.11 - Relação dos CPs cilíndricos do “concreto 350” por idade de ensaio ... 106
Tabela 3.12 - Composição do “concreto 450” - traço unitário ... 117
Tabela 3.13 - Características do “concreto 450” no estado fresco ... 117
Tabela 3.14 - Identificação dos “CPs extraídos 450” ... 119
Tabela 3.15 - Relação de CPs cilíndricos da pasta das situações de “referência” e “ataque”125 Tabela 4.1 - Resumo dos principais compostos identificados na pasta do “concreto 350” por DRX: situação de “referência” ... 163
Tabela 4.2 - Resumo dos principais compostos identificados na pasta do “concreto 350” por DRX: situação de “ataque”... 164
Tabela 5.1 - Resumo dos principais compostos identificados na pasta do “concreto 450” por DRX ... 188
Tabela 6.1 - Resumo dos principais compostos identificados nas pastas “referência”, “A60” e “A80” por DRX ... 218
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S. K Melo
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ASTM American Sociey for Testing and Material
C PIV-32 cimento Portland tipo IV (pozolânico), classe de resistência 32 MPa CP ou CPs corpo(s)-de-prova
CU câmara úmida
CV cinza volante
DEF formação da etringita tardia DRX difração de Raios X
EDX espectroscopia de difração de Raios X MEV microscópio eletrônico de varredura MF módulo de finura
MO microscópio ótico
NBR Norma Brasileira Registrada
NBR NM Norma MERCOSUL
RAA reação álcali-agregado RAS reação álcali-sílica
RP produto de reação pozolânica
sss condição de saturado superfície seca UR umidade relativa do ar
LISTA DE TERMOS
“ataque” refere-se à situação de cura térmica, seguida de estocagem em câmara úmida.
“concreto 350” concreto, cujo consumo de cimento foi da ordem de 350 kg/m3. “concreto 450” concreto, cujo consumo de cimento foi da ordem de 450 kg/m3. “CP mãe 350” corpo-de-prova cilíndrico (550 mm x 900 mm), moldado com o
“concreto 350”, utilizado para gerar o calor de hidratação no ensaio de elevação adiabática.
“CP mãe 450” corpo-de-prova cilíndrico (550 mm x 900 mm), moldado com o “concreto 450”, utilizado para gerar o calor de hidratação no ensaio de elevação adiabática.
“CP extraído 350” corpo-de-prova cilíndrico (100 mm x 200 mm) extraído do “CP mãe 350”.
“CP extraído 450” corpo-de-prova cilíndrico (100 mm x 200 mm) extraído do “CP mãe 450”.
“CP filho 350” corpo-de-prova cilíndrico (100 mm x 200 mm) ou prismático (75 mm x 75 mm x 285 mm), moldado com o “concreto 350”.
__________________________________________________________________________________________
LISTA DE SÍMBOLOS
Elementos químicos Al alumínio Au ouro Ca cálcio Cl cloro Fe ferro H hidrogênio K potássio Na sódioNa2Oeq equivalente alcalino (Na2Oeq = Na2O + 0,658K2O)
O oxigênio
S enxofre
Si silício
Notação química do cimento - óxidos e fases não hidratadas A óxido de alumínio (Al2O3)
C óxido de cálcio (CaO) C dióxido de carbono (CO2)
CaCO3 carbonato de cálcio ou calcita
C2S silicato dicálcico
C3A aluminato tricálcico
C3S silicato tricálcico
C4AF ferroaluminato tetracálcico
C2AF ferroaluminato dicálcico CaSO4 sulfato de cálcio anidro
F óxido de ferro (Fe2O)
K óxido de potássio (K2O)
M óxido de magnésio (MgO)
Mu mulita
N óxido de sódio (Na2O)
NaSO4 sulfato de sódio
P periclásio, óxido de magnésio cristalino
Q quartzo
S óxido de enxofre, sulfato (SO3)
Notação química do cimento - produtos de hidratação
AFm fase Al2O3 – Fe2O3 – mono ou A,F, mono. Designação dada aos produtos de
hidratação, envolvendo os aluminatos e/ou ferritas e/ou sulfatos. O termo AFm se refere a 1(mono) unidade de CX, onde X representa um ânion, sendo os mais importantes: OH-, SO42-, CO2-.
AFt difere da fase AFm porque “t” (three) representa 3 unidades de CX. As fases AFt têm estrutura cristalina em forma de agulhas prismáticas, sendo a etringita a mais conhecida delas.
C-A-S-H Silicoaluminato de cálcio hidratado CB carbonato de cálcio hidratado CH hidróxido de cálcio, portlandita
C-S-H silicato de cálcio hidratado, tobermorita
CxAyHz aluminato de cálcio hidratado com composição química variável
C4ACH carboaluminato tetracálcico hidratado
E Etringita
Ge gelenita hidratada
Hg Hidrogranada
Mono Monossulfato Grandezas
Ae expansão residual percentual
E expansão linear percentual, sendo Ei=expansão individual e Em= expansão média
Eci módulo de elasticidade estático fc resistência à compressão
fcef tensão de resistência à compressão efetiva
Li é a dimensão do prisma na direção da propagação da onda ultrassônica, expresso em “m”
e40 deformação específica do concreto à tensão correspondente a 0,4 fc
e0,5 deformação específica do concreto à tensão correspondente a 0,5 MPa
Rn índice de resistência química do método Koch e Steinegger
sc40 tensão à compressão no concreto, correspondente a 0,4 fc, expresso em MPa
TUS tempo de propagação de ondas ultrassônicas ao longo do comprimento do
corpo-de-prova, medido na posição “i”em ms
TUSm tempo médio de propagação de ondas ultrassônicas ao longo do comprimento do
corpo-de-prova em ms, obtido pela média aritmética dos tempos TUS
VUS velocidade de propagação de ondas ultrassônicas em m/s
VUSm velocidade ultrassônica média obtida pela média aritmética das velocidades
__________________________________________________________________________________________
Unidade de medidas no Sistema internacional (SI)
A* angströn, unidade de medida de comprimento correspondente a 10-10 m
GPa gigapascal
Hz hertz, unidade de frequência ondulatória J Joule, expressa a quantidade de calor
kg/m3 kilograma por metro cúbico, expressa massa específica e consumo de cimento
kV kilovolt
L* litro, símbolo adotado para evitar confusão de “l” com o algarismo arábico 1 m metro, unidade de medida decimal de comprimento
m/s metro por segundo, unidade de medida de velocidade mA miliampere, unidade de medida de corrente elétrica m2 metro quadrado, unidade de medida de superfície m3 metro cúbico, unidade de medida de volume
mm milímetro, unidade de medida de comprimento correspondente a10-3 m mmol milimol, corresponde a 10-3 mol
mol/m3 mol por metro cúbico, expressa a concentração (quantidade de matéria) em 1m3 MPa megapascal, correspondente a 103 Pa
nm nanômetro, unidade correspondente a 10-9m º graus, unidade de medida de ângulo
ºC graus Celsius, unidade de medida de temperatura
Pa pascal, unidade de medida de pressão ou esforço correspondente a 1N/m2 mm micrômetro, unidade de medida de comprimento correspondente a 10-6m s segundo, medida de tempo
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 27
1.1 JUSTIFICATIVA E IMPORTÂNCIA DO TEMA ... 29
1.2 OBJETIVO GERAL ... 30
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 31
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 31
2. REVISÃO DA LITERATURA ... 33
2.1 DEFINIÇÕES RELACIONADAS À FORMAÇÃO DA ETRINGITA ... 33
2.1.1 O mineral etringita ... 33
2.1.2 Etringita ... 34
2.1.2.1 Propriedades ... 35
2.1.2.2 Formação da etringita primária ... 37
2.1.2.3 Efeito dos álcalis sobre a formação da etringita ... 38
2.1.3 Monossulfato ... 39
2.1.4 Formação da Etringita Tardia - DEF... 41
2.1.5 Outras terminologias associadas à DEF ... 43
2.2 CASOS DE DETERIORAÇÃO ASSOCIADOS À DEF ... 45
2.3 MECANISMOS DE EXPANSÃO POR DEF ... 48
2.3.1 Mecanismo da expansão uniforme da pasta ... 48
2.3.1.1 Química da DEF ... 50
2.3.1.2 Mecanismo de expansão ... 51
2.3.2 Mecanismo da pressão do cristal de etringita ... 54
2.3.2.1 Importância das fissuras pré-existentes ... 55
2.3.3 Mecanismo proposto por Brunetaud ... 55
2.3.4 Outros mecanismos ... 57
2.3.4.1 Inchamento da etringita coloidal ... 57
2.3.4.2 Influência do CO2 ... 57
2.4 FATORES INTERVENIENTES NA EXPANSÃO POR DEF ... 58
2.4.1 Características do material ... 58
__________________________________________________________________________________________ 2.4.1.2 Relação SO3/Al2O3 ... 59 2.4.1.3 Efeito do SO3 ... 61 2.4.1.4 Quantidade de Álcalis ... 64 2.4.1.5 Finura do cimento ... 64 2.4.2 Microestrutura da pasta ... 66 2.4.3 Microestrutura do concreto ou da argamassa ... 66 2.4.4 Condições de cura ... 66
2.4.4.1 Temperatura de cura ... 67 2.4.4.2 Taxa de elevação da temperatura ... 68 2.4.4.3 Aumento da temperatura devido ao calor de hidratação... 69 2.4.4.4 Período de pré-cura ... 69 2.4.4.5 Umidade relativa do ar e Carbonatação ... 69
2.4.5 Condições de exposição... 69
2.4.5.1 Temperatura de estocagem ou exposição ... 69 2.4.5.2 Umidade relativa do ar... 70
2.4.6 Associação com outras patologias ... 71 2.5 SINTOMAS DE DEF EM CONCRETOS ... 72 2.5.1 Aspectos visuais ... 72 2.5.2 Expansão e variação de massa ... 73 2.5.3 Modificação nas propriedades mecânicas ... 73 2.5.4 Características microestruturais... 74 2.6 MEDIDAS PREVENTIVAS ... 74
3. MATERIAIS E MÉTODOS ... 76
3.1 MATERIAIS ... 76 3.1.1 Cimento ... 77 3.1.1.1 Propriedades químicas ... 78 3.1.1.2 Compostos minerais ... 79 3.1.1.3 Propriedades físicas e mecânicas do cimento ... 80 3.1.1.4 Atividade pozolânica ... 81 3.1.1.5 Calor de hidratação ... 82 3.1.1.6 Resistência do cimento ao ataque por sulfato ... 833.1.2 Agregado ... 84
3.1.2.2 Apreciação petrográfica ... 86 3.1.2.3 Microscopia ótica ... 87 3.1.2.4 Reatividade potencial quanto à reação álcali-agregado (RAA) ... 88
3.1.3 Aditivos químicos ... 89 3.1.4 Água ... 90 3.2 PROGRAMA EXPERIMENTAL ... 90 3.2.1 Estudo 1: Efeito do calor de hidratação ... 91
3.2.1.1 Variáveis ... 94 3.2.1.2 Produção do “concreto 350” ... 94 3.2.1.3 Moldagem dos corpos-de-prova ... 96 3.2.1.4 Cura dos CPs da situação de “referência” ... 98 3.2.1.5 Cura dos CPs da situação de “ataque”... 98 3.2.1.6 Extração dos CPs cilíndricos do “CP mãe 350” ... 102 3.2.1.7 Nomenclatura dos corpos-de-prova do “concreto 350” ... 104 3.2.1.8 Estocagem dos CPs do “concreto 350” ... 106 3.2.1.9 Avaliação das características físicas e propriedades mecânicas ... 106 3.2.1.10 Investigação da microestrutura... 110
3.2.2 Estudo 2: Influência do consumo de cimento sobre DEF por calor de hidratação ... 115
3.2.2.1 Variáveis ... 116 3.2.2.2 Produção do “concreto 450” e moldagem do “CP mãe 450” ... 116 3.2.2.3 Ciclo térmico do “concreto 450” ... 117 3.2.2.4 Extração dos CPs cilíndricos do “CP mãe 450” ... 117 3.2.2.5 Identificação dos “CPs extraídos 450” ... 118 3.2.2.6 Estocagem e avaliação das propriedades do “concreto 450” ... 119
3.2.3 Estudo 3: Efeito da temperatura de cura sobre a microestrutura da pasta... 119
3.2.3.1 Variáveis ... 120 3.2.3.2 Confecção da pasta e moldagem dos CPs ... 121 3.2.3.3 Cura dos Cps da situação de “referência” ... 121 3.2.3.4 Ciclo de cura térmica dos CPs da situação de “ataque” ... 122 3.2.3.5 Curvas dos ciclos de cura dos CPs ... 122 3.2.3.6 Cura térmica dos CPs da situação de “ataque” ... 123 3.2.3.7 Identificação dos CPs ... 124
__________________________________________________________________________________________
3.2.3.8 Estocagem dos CPs ... 125 3.2.3.9 Avaliação das propriedades físicas ... 126 3.2.3.10 Investigação da microestrutura... 126
4. EFEITO DO CALOR DE HIDRATAÇÃO SOBRE DEF EM
CONCRETO DE CIMENTO PORTLAND POZOLÂNICO ... 128
4.1 COMPORTAMENTO TÉRMICO ... 128 4.2 ASPECTOS MACROESTRUTURAIS ... 129 4.2.1 Aspecto visual ... 130 4.2.2 Expansão ... 130 4.2.3 Variação de massa ... 132 4.2.4 Ultrassom ... 133 4.2.5 Resistência à Compressão e Módulo de elasticidade ... 135 4.3 ASPECTOS MICROESTRUTURAIS ... 139 4.3.1 Situação de “referência” ... 1404.3.1.1 Idade: 90 dias – “referência” ... 140 4.3.1.2 Idade: 140 dias – “referência” ... 142 4.3.1.3 Idade: 190 dias – “referência” ... 143 4.3.1.4 Idade: Aos 270 dias – “referência” ... 147
4.3.2 Situação de “ataque” - “CPs extraídos 350” ... 148
4.3.2.1 Idade: 90 dias – “ataque” ... 148 4.3.2.2 Idade: 140 dias – “ataque” ... 151 4.3.2.3 Idade: 190 dias – “ataque” ... 154 4.3.2.4 Idade: 270 dias – “ataque” ... 158
4.3.3 Aspectos observados por DRX ... 163 4.4 EFEITO DO CALOR DE HIDRATAÇÃO ... 165 4.4.1 Propriedades físicas e mecânicas ... 165 4.4.2 Microestrutura ... 166 4.5 PRESENÇA DA CINZA VOLANTE ... 166 4.6 CONSIDERAÇÕES SOBRE O EFEITO DO CALOR DE HIDRATAÇÃO NA DEF ... 168
5. INFLUÊNCIA DO CONSUMO DE CIMENTO SOBRE DEF POR
CALOR DE HIDRATAÇÃO ... 170
5.1 COMPORTAMENTO TÉRMICO DURANTE A CURA ... 170 5.2 ASPECTOS MACROESTRUTURAIS ... 1725.2.1 Aspecto visual ... 172 5.2.2 Resistência à compressão e Módulo de elasticidade ... 172 5.3 ASPECTOS MICROESTRUTURAIS ... 173 5.3.1 Microscopia eletrônica de varredura - MEV ... 174
5.3.1.1 Idade: 28 dias ... 174 5.3.1.2 Idade: 90 dias ... 176 5.3.1.3 Idade: 140 dias ... 179 5.3.1.4 Idade: 190 dias ... 182 5.3.1.5 Idade: 270 dias ... 185 5.3.2 Difração de Raios X (DRX) ... 188 5.4 CONSIDERAÇÕES SOBRE A INFLUÊNCIA DO CONSUMO DE CIMENTO ... 189
6. ESTUDO 3: EFEITO DA TEMPERATURA SOBRE A
MICROESTRUTURA DA PASTA ... 191
6.1 MICROESTRUTURA NAS PRIMEIRAS 24 HORAS ... 191 6.1.1 Difratometria de Raios X ... 191 6.1.2 Considerações acerca do desenvolvimento da microestrutura até 1 dia de idade ... 1936.1.2.1 Nas primeiras 10 horas... 193 6.1.2.2 Entre 10 e 24 horas ... 193
6.2 MICROESTRUTURA AOS 8 DIAS DE IDADE ... 194 6.2.1 Difratometria de Raios X ... 194 6.2.2 Microscopia eletrônica de varredura ... 195
6.2.2.1 Pasta de “referência” ... 195 6.2.2.2 Pasta A60 ... 201 6.2.2.3 Pasta A80 ... 207
6.2.3 Considerações acerca do desenvolvimento da microestrutura após o ciclo de cura ... 208 6.3 MICROESTRUTURA AOS 28 DIAS ... 209 6.3.1 Difratometria de Raios X ... 209 6.4 MICROESTRUTURA AOS 140 DIAS DE IDADE ... 210 6.4.1 Difratometria de Raios X ... 211 6.4.2 Microscopia eletrônica de varredura ... 212
__________________________________________________________________________________________
6.4.2.2 Pasta A60 ... 213 6.4.2.3 Pasta A80 ... 215
6.5 PRODUTOS FORMADOS NA PASTA ... 218 6.5.1 C-S-H ... 218 6.5.2 CH ... 219 6.5.3 Etringita ... 219 6.5.4 Monossulfatos ... 219 6.5.5 Aluminatos e hidrogranada ... 220 6.5.6 Sulfatos ... 220 6.5.7 Taumasita ... 220 6.6 ASPECTOS QUÍMICOS ... 220 6.6.1 Teor de sulfato e relação SO3/Al2O3 ... 220
6.6.2 Álcalis solúveis ... 221 6.6.3 MgO Cristalino ... 222 6.7 ASPECTOS MACROESTRUTURAIS ... 222 6.7.1 Aspecto visual ... 222 6.7.2 Variação de massa ... 223 6.7.3 Ultrassom ... 225
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 227
7.1 CONCLUSÕES ... 227 7.1.1 Concreto ... 227 7.1.1.1 Temperatura de cura ... 228 7.1.1.2 Consumo de cimento ... 229 7.1.1.3 Cinza volante, DEF e reação álcali-agregado ... 2297.1.2 Pastas ... 229 7.2 CONSIDERAÇÕES SOBRE A PESQUISA REALIZADA ... 231 7.3 SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS ... 232
REFERÊNCIAS ... 233
APÊNDICES ... 242
CAPÍTULO 1
1.
INTRODUÇÃO
O concreto é, provavelmente, o material de construção civil mais utilizado no mundo moderno. Países em franco desenvolvimento como China, Índia e Brasil destacam-se como os maiores consumidores desse material na execução de edifícios e infraestrutura. Neste contexto, a durabilidade das estruturas de concreto não se limita apenas às questões de ordem técnica, mas tem sido exigida cada vez mais por questões econômicas, ambientais e de segurança.
A inadequada durabilidade do concreto é percebida pelas manifestações patológicas, cujos agentes podem residir no seu próprio interior, ainda que, ocasionalmente, ou provir do meio externo. Internamente, esses agentes podem estar presentes na composição química e mineralógica do cimento ou dos agregados. As substâncias agressivas, presentes no ambiente externo, penetram no interior das estruturas de concreto através da rede capilar em nível microestrutural na forma de gases, vapores ou líquidos, levando-as à deterioração química, podendo envolver a formação de produtos expansivos, como é ocaso do ataque por sulfato externo.
Este fenômeno se dá pelas reações químicas entre a pasta de cimento hidratada e os íons sulfatos (MEHTA; MONTEIRO, 2008) oriundos de fontes externas, tais como: solos e águas sulfatadas; ou de uma fonte interna, que pode ser o próprio cimento (TAYLOR; FAMY; SCRIVENER, 2001), ou agregados contaminados por sulfatos ou contendo sulfetos. Normalmente, a sua manifestação em elementos de concreto é evidenciada pela expansão, fissuração, diminuição progressiva da resistência e perda de massa.
A formação da etringita tardia, que vem da expressão em inglês Delayed Ettringite Formation, sendo bastante conhecida e abreviada por DEF, é um fenômeno que envolve reações químicas e que pode se manifestar em compósitos à base de cimento Portland endurecidos, levando esses materiais à deterioração prematura. O efeito deletério se deve à característica expansiva da etringita, que se forma tardiamente por toda a pasta ou dentro de
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poros ou fissuras pré-existentes, causando expansão e fissuração de pastas, argamassas ou concretos, quando a matriz cimentícia já se encontra rígida.
A DEF tem sido tratada na literatura como um tipo especial de ataque por sulfato interno, no qual os íons SO42- são provenientes do próprio cimento. Para os pesquisadores Taylor (1997),
Taylor, Famy e Scrivener (2001), Thaulow, Johansen e Jakobsen (1997), o processo se distingue pela formação ou recristalização da fase etringita na matriz cimentícia de argamassas ou concretos já endurecidos, durante a sua exposição à alta umidade, após terem sido submetidos a temperaturas próximas ou superiores a 70ºC durante a etapa de cura. O fenômeno pode promover expansão da pasta e consequente fissuração, culminando na ruptura e lascamento do material, deteriorando-o.
As altas temperaturas são fatores determinantes para que a expansão significante ocorra (TAYLOR; FAMY; SCRIVENER, 2001). Sendo assim, os ciclos de temperatura empregados na fabricação de concretos pré-moldados são preocupantes e relevantes. Por exemplo, as normas alemãs, segundo Heinz et al. (1999), estabelecem uma temperatura de cura máxima de 80ºC para concretos que estarão expostos em ambientes secos e no máximo 60ºC para exposição à molhagem de modo intermitente ou permanente.
Vários casos de deterioração em estruturas de concretos foram atribuídos parcial ou totalmente à DEF, sendo os mais comuns em elementos de concretos pré-moldados curados a altas temperaturas; e alguns outros casos relativos ao concreto massa, nos quais a temperatura, devido ao calor de hidratação, subiu excessivamente. Entre os casos in situ mais conhecidos, podem ser citados os dormentes de ferrovias da Suécia (SAHU; THAULOW, 2004); as vigas em concreto protendido, bem como elementos de grande seção com alto consumo de cimento e sem cura térmica no Reino Unido (HOBBS, 1999); e os pilares de ponte na América do Norte (THOMAS et al., 2008), também sem tratamento térmico nas primeiras idades.
Segundo Taylor, Famy e Scrivener (2001) e Hobbs (1999), em muitos desses casos, a DEF ocorreu simultaneamente com a reação álcali-agregado (RAA), quando agregados silicosos haviam sido utilizados. Convém ressaltar, com base na literatura, que, embora seja comum a manifestação conjunta desses dois fenômenos, uma vez que ambos são ativados pelas altas temperaturas de cura, seguida de exposição à alta umidade em temperatura ambiente, é de fundamental importância o conhecimento do processo de formação da etringita tardia e seu mecanismo de expansão, individualmente.
Nos últimos 20 anos, muitas pesquisas relacionadas à DEF têm sido realizadas em vários países como Inglaterra, França, Suécia, Estados Unidos, China, entre outros, com o objetivo de conhecer o seu mecanismo de formação e identificar os principais parâmetros que influenciam nas expansões. No Brasil não há, até o presente momento, relatos de pesquisas sobre esse fenômeno, o que provavelmente justifica a inexistência de registros de casos de deterioração relacionados à DEF. Por outro lado, a crescente expansão da indústria de pré-moldados, construção de usinas hidrelétricas e obras civis com alto consumo de cimento, aliados às condições climáticas deste país, são aspectos favoráveis à sua manifestação como patologia.
Sendo assim, o conhecimento desse fenômeno torna-se um quesito relevante no âmbito da durabilidade das estruturas de concreto.
1.1 JUSTIFICATIVA E IMPORTÂNCIA DO TEMA
A formação da etringita tardia é um fenômeno patológico bastante complexo e, ainda, pouco conhecido, sendo que a maioria dos casos registrados está relacionada aos elementos de concretos pré-moldados. Do ponto de vista experimental, normalmente são investigadas barras de argamassa, submetidas à cura térmica (em geral entre 80 e 100ºC) a vapor (atmosfera saturada de água), com ou sem pressão por algumas horas, sendo, em seguida, estocadas em água a 20oC (KELHAN, 1996; LEWIS; SCRIVENER, 1997; YANG et al., 1999; TOSUM, 2006; OWSIAK, 2008). Em geral, são fixados os ciclos de cura térmica e alguns parâmetros relacionados ao cimento como finura e teores de sulfato e álcalis. Porém, em relação ao estudo de DEF envolvendo o aumento de temperatura interna no concreto devido ao calor de hidratação do cimento, sobretudo em concretos usualmente empregados em campo, as pesquisas são ainda escassas.
O calor gerado devido às reações de hidratação do cimento em elementos estruturais de concreto com grandes seções, produzidos com altos consumos de cimento, pode promover o aumento da temperatura interna a valores próximos de 90ºC, dependendo das condições de lançamento e de exposição. Se isto ocorrer, a formação da etringita tardia é suscetível de se desenvolver ao longo do tempo.
Sobre esse aspecto, um caso interessante a ser citado é o da estrutura da fundação do Edifício Shanghai Jin Mao Building na China, confeccionada com emprego de aditivo compensador
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de retração, que atingiu o pico de 97ºC após 40 horas de concretagem, conforme relatado por Yan et al. (2004). Segundo estes autores, a significativa espessura dos elementos (aproximadamente 4 m) e o grande volume de concreto lançado em curto espaço de tempo contribuíram para esse nível de elevação da temperatura no interior do concreto. Em estudo laboratorial com argamassa confeccionada com mesmo cimento e aditivo, buscando investigar se DEF poderia ou não causar expansão naquelas condições, esses pesquisadores constataram ocorrência de DEF para temperaturas acima de 70ºC.
As barragens de gravidade e seus elementos constitutivos são comumente construídos com emprego de concreto de cimento Portland. Durante a execução, é prática usual a adoção de medidas preventivas e algumas intervenções para controlar o aumento da temperatura no interior do concreto, devido ao calor de hidratação, de modo a eliminar ou minimizar a formação de fissuras térmicas. Entre as medidas normalmente adotadas estão: a redução do consumo de cimento, utilização de cimentos de baixo calor de hidratação, emprego de adições minerais como as pozolanas, pré-resfriamento da água de amassamento e dos agregados, uso de gelo no resfriamento do concreto, concretagem em horários de menor temperatura ambiente, redução da espessura de camadas de concreto, maior intervalo de lançamento, entre outros (EQUIPE DE FURNAS, 1997).
À despeito desses cuidados, tem-se conhecimento do registro de temperaturas próximas a 70ºC após, aproximadamente, 10 horas de concretagem, elevando-se a valores próximos a 80ºC com 3 dias de idade, no interior do concreto de um grande elemento estrutural.Tendo em vista as características das condições de exposição desse elemento na etapa de serviço, suspeita-se que uma deterioração pela formação da etringita tardia possa vir a ocorrer, embora não seja um caso clássico relacionado à DEF relatado na literatura.
Diante do exposto, e dada a carência de estudos mais aprofundados em DEF causada pelo calor de hidratação do cimento, esta pesquisa pretende contribuir para um melhor entendimento deste fenômeno patológico, considerando a necessidade de garantia da durabilidade do concreto.
1.2 OBJETIVO GERAL
Esta pesquisa objetiva estudar a formação de etringita tardia (DEF) em concretos usuais de cimento Portland pozolânico contendo cinza volante, considerando-se o aumento da
temperatura interna gerada pelo calor de hidratação do cimento, contribuindo para um avanço no entendimento do comportamento da DEF.
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Dividiu-se a pesquisa em três estudos distintos, a fim de atender aos seguintes objetivos: · investigar a ocorrência de DEF em um concreto bombeado com características reológicas usuais em obra, sob determinadas condições de elevação adiabática de temperatura ao longo do tempo, por meio da avaliação das propriedades físicas e mecânicas, e investigações microestruturais;
· avaliar a influência do consumo de cimento sobre a DEF, mantendo-se as mesmas características reológicas do concreto, como também as condições de cura e exposição;
· investigar, sob os aspectos relacionados a DEF, o efeito da temperatura de cura sobre a microestrutura da pasta de cimento pozolânico.
1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO
De maneira a detalhar a pesquisa, esta dissertação foi organizada em sete capítulos.
O Capítulo 1 apresenta a Introdução, ressaltando a importância do tema abordado, bem como apresenta os objetivos deste trabalho.
O Capítulo 2 contempla a Revisão da literatura, onde é apresentado um levantamento do estado da arte abordando algumas das teorias mais aceitas acerca da formação da etringita tardia e dos mecanismos de expansão, além dos principais parâmetros intervenientes sobre o fenômeno.
O Capítulo 3, Materiais e métodos, contem a descrição dos materiais empregados na pesquisa, bem como as suas características e propriedades; o programa experimental e os métodos de ensaios utilizados em cada estudo.
Os Capítulos 4, 5 e 6 apresentam as discussões dos resultados obtidos nos ensaios experimentais, sendo que no Capítulo 4, intitulado “Efeito do calor de hidratação sobre DEF em concreto de cimento Portland pozolânico”, são analisadas como as modificações
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microestruturais causadas pelo aumento da temperatura de cura por calor de hidratação influem sobre a formação da etringita tardia. Já no Capítulo 5, “Influência do consumo de cimento sobre DEF por calor de hidratação”, discute-se o impacto do aumento do consumo de cimento sobre a elevação da temperatura e consequentemente sobre o processo de DEF. No Capítulo 6, denominado “Efeito da temperatura de cura sobre a microestrutura da pasta” são analisados os efeitos da elevação da temperatura sobre os produtos formados ao longo do tempo.
Por fim, o Capítulo 7 apresenta as considerações finais, onde se propõe conclusões e sugestões para pesquisas futuras.
CAPÍTULO 2
2.
REVISÃO DA LITERATURA
A formação da etringita tardia é um processo bastante complexo que se caracteriza pela não formação ou decomposição térmica da etringita primária e (re)precipitação de cristais em materiais cimentícios já endurecidos, podendo causar expansão. Este capítulo discorre sobre a formação da etringita tardia, relacionando os principais aspectos do fenômeno. Assim, inicialmente são apresentadas as diferentes definições encontradas na literatura, os mecanismos de formação e expansão, fatores intervenientes, sintomas característicos e algumas medidas de prevenção de DEF.
2.1 DEFINIÇÕES RELACIONADAS À FORMAÇÃO DA ETRINGITA
São encontradas na literatura diversas definições referentes à formação da etringita em materiais cimentícios. Isto se deve ao fato de o fenômeno ser ainda pouco conhecido. Por essa razão são discutidas, a seguir, as diferentes terminologias empregadas.
2.1.1 O mineral etringita
Na forma de um mineral natural, a etringita (Figura 2.1) é encontrada com maior frequência no sul da África, nas regiões do Distrito de Hotazel e Kuruman e na Alemanha, em Ettrigen, cujo nome deu origem à sua terminologia mineralógica. Ela é o principal representante do grupo etringita, do qual fazem parte também outros minerais como a taumasita, charlesita, jouravskita, bentorita e esturmanita. O seu arranjo cristalino tem a forma de um prisma com seção hexagonal, cuja extremidade configura uma pirâmide, mas pode se apresentar também na forma acicular (agulha). Quanto à sua coloração, a etringita é encontrada nas cores amarelo brilhante, incolor (vai do transparente ao translúcido) e branca, conferindo-lhe beleza e valor comercial.
Quimicamente, o mineral etringita é um sulfoaluminato de cálcio hidratado, cuja formulação é Ca6Al2(SO4)3(OH)12.26H2O, sendo parcialmente solúvel em água. A sua densidade é de
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aproximadamente 1,7 e a dureza na escala MOHS está entre 2 e 2,5; isto é, entre o gesso e a calcita (Disponível em: http://www.galleries.com/minerals/sulfates. Acesso em 25/07/2009).
a) b)
Figura 2.1 - Mineral etringita: a) encontrado na região de Kuruman; b) encontrado na Alemanha. Disponível
em: http://www.rc.unesp.br/museudpm/banco/grm.html acesso em 25/07/2009
A etringita, objeto de estudo desta dissertação, pode ser sintética, quando é um dos produtos cristalinos resultantes da hidratação do cimento Portland. Normalmente, ela se forma nas primeiras idades (etringita primária), ou seja, sua formação se inicia em alguns minutos após o contato desse aglomerante com a água. Entretanto, a etringita poderá, eventualmente, vir a se formar ou recristalizar em materiais cimentícios endurecidos (etringita tardia) quando, sob condições propícias de temperatura, umidade e alcalinidade, são disponibilizados sulfatos, aluminatos e água em concentrações adequadas para promover as reações. Neste caso, ela pode causar deterioração da matriz cimentícia se a quantidade ou tamanho dos cristais formados forem suficientes para provocar pressão local e expansão. Por isso, a sua formação em pastas, argamassa ou concretos endurecidos poderá ter efeito deletério.
2.1.2 Etringita
Conhecida na literatura, também, como alto-sulfato ou trissulfoaluminato de cálcio hidratado, a etringita (Figura 2.2) é normalmente o primeiro produto a cristalizar-se durante a primeira hora de hidratação do cimento à temperatura ambiente, contribuindo para o enrijecimento, pega e desenvolvimento da resistência inicial da pasta (MEHTA; MONTEIRO, 2008).
a) b)
Figura 2.2 - Cristais prismáticos de etringita em pasta de cimento:a) pasta de cimento pozolânico; b) disponível
em < http://www.fhwa.dot.gov/pavement/pccp/pubs/04150/chapt14.cfm >acesso em 10/09/09
Segundo Taylor (1997), a etringita, cuja composição química é C3A.3CaSO4.32H2O ou
[Ca3Al(OH)6.12H2O]2.(SO4)3.2H2O, é a mais importante das fases AFt (Al2O3 – Fe2O3 – tri),
resultantes da hidratação dos aluminatos e ferritas de cálcio na presença de sulfatos. As fases AFt, cuja formulação química geral é [Ca3(Al,Fe)(OH)6.12H2O]2.X3.cH2O, são assim
denominadas porque o ferro (Fe) pode substituir o alumínio (Al) e X representa uma fórmula unitária de dupla carga, que pode ser o SO42-, CO3-, OH- ou Cl-. A expressão “tri” se refere a
três unidades de CX. Sendo assim, uma forma alternativa de expressar a fórmula química é C3(A,F).3CX.yH2O. Outras fases AFt também podem existir, nas quais os íons Al3+ e Ca2+
podem ser substituídos por outros cátions, como é o caso da taumasita, Ca3[Si(OH)6.12H2O](CO3)(SO4).
2.1.2.1 Propriedades
De acordo com Taylor (1997), os cristais das fases AFt têm a forma prismática hexagonal ou acicular. Suas estruturas (Figura 2.3) são baseadas em colunas de matriz hexagonal, paralelas ao eixo “c”, nas quais geralmente os ânions X e as moléculas de água estão nos canais de ligação. Os parâmetros de célula da estrutura do cristal de etringita são a = 1.123 nm, c = 2,150 nm e Z = 2. A duplicação de “c” se deve à ordenação dos íons SO42- e moléculas de H2O nos canais.
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(a) (b)
Figura 2.3 - Estrutura do cristal de etringita. a) parte de uma coluna: A=Al; C= Ca; H=OH e W=O. b) projeção
no plano ab (TAYLOR, 1997)
Na análise por difração de Raios-X (DRX), a etringita é identificada por seus picos em baixo ângulo de 0,973 nm (1010) e 0,561 nm (1120), mas a determinação de sua quantidade no material é difícil, porque a sua cristalinidade pode ser prejudicada pela moagem durante a preparação da amostra para ensaio. Estes picos característicos desaparecem com aquecimento ou intensa secagem à temperatura ambiente, uma vez que a etringita perde água com facilidade, tornando-se quase amorfa. Sob condições normais de umidade, a etringita começa a desidratar em temperaturas acima de 50ºC, como ilustrado na Figura 2.4 (TAYLOR, 1997).
0 2 4 6 0 50 100 150 200 Temperatura ºC H 2
O retido (mol/mol Ca)
