TAÍS BIAZÃO LOPES
COMPARAÇÃO DA MICROESTRUTURA DO CONCRETO
AUTO ADENSÁVEL COM O CONCRETO CONVENCIONAL
Limeira
2016
ii UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE TECNOLOGIA
TAÍS BIAZÃO LOPES
COMPARAÇÃO DA MICROESTRUTURA DO CONCRETO
AUTO ADENSÁVEL COM O CONCRETO CONVENCIONAL
Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado da Faculdade de Tecnologia da Universidade Estadual de Campinas, como requisito para a obtenção do título de Mestra em Tecnologia, área de concentração em Tecnologia e Inovação.
Orientadora: Prof.ª Dr.ª Luísa Andréia Gachet Barbosa
Limeira
iv
FOLHA DE APROVAÇÃO
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM TECNOLOGIA
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: TECNOLOGIA E INOVAÇÃO
Comparação da microestrutura do concreto auto adensável com o concreto convencional
Taís Biazão Lopes
A Banca examinadora composta pelos membros abaixo aprovou esta Dissertação:
__________________________________________________________________________ Prof. Dra. Luísa Andréia Gachet Barbosa
UNICAMP/FT
________________________________________________________
Prof. Dra. Rosa Cristina Cecche LintzUNICAMP/FT
___________________________________________________________________________ Mirian de Lourdes Noronha Motta Melo
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RESUMO
No estudo da microestrutura do concreto existem três fases de grande importância: agregado, matriz da pasta de cimento e uma interface denominada Zona de Transição (ZT). Mehta&Monteiro (2014) definem a zona de transição como o elo fraco da corrente e como a fase de limite da resistência do concreto. As características e os componentes da zona de transição são determinantes para as propriedades do concreto endurecido, influenciando significativamente na resistência mecânica e em sua durabilidade. As propriedades físicas e mecânicas da pasta de cimento Portland dos concretos resultam de uma série de processos complexos que acontecem durante a mistura e o lançamento, incluindo as reações de hidratação. O concreto auto adensável possui em sua composição superplastificantes, aditivos modificadores de viscosidade e adições minerais finas proporcionando a capacidade de fluir, de auto adensar pelo seu próprio peso, preencher fôrmas e escorrer por obstáculos (armaduras, curvas) com êxito, qualidade e confiabilidade. O estudo da microestrutura da zona de transição e dos produtos formados pela hidratação do cimento como a etringita em suas variadas fases por meio da microscopia eletrônica de varredura acoplada ao detector de energia dispersiva de raios-x (MEV-EDS) torna-se necessário devido à variabilidade de compostos presentes nas características do concreto, de modo a avaliar seu arranjo estrutural permitindo evidenciar a morfologia dos compostos hidratados em função das condições em que ocorreu a hidratação. Nesta dissertação avaliou-se o comportamento reológico do concreto auto adensável em seu estado fresco e endurecido, visando à obtenção das propriedades segundo as normas técnicas, contribuição aos estudos da zona de transição do concreto auto adensável, e dos produtos da hidratação dos cimentos por meio da microscopia eletrônica de varredura acoplada a energia dispersiva de raios-x (MEV-EDS).
vi
ABSTRACT
In the study of the microstructure of the concrete, there are three phases of great importance: the aggregate, the cement paste matrix and an interface called transition zone (TZ). Mehta&Monteiro (2014) define the transition zone as the weak link in the chain and as the phase of concrete strength limit. The characteristics and transition zone components are decisive for the properties of the hardened concrete, significantly influencing the mechanical strength and durability. The physical and mechanical properties of Portland, mortars and concrete result of a series complex processes that happens during mixing and the release, including hydration reactions. The concrete self compacting has in its superplasticisers composition, viscosity modifiers additives and fine mineral additions providing the ability to flow, self densify by its own weight, to fill molds and drain by obstacles (reinforcement, curves) with success, quality and reliability. The study of the transition zone of microstructure and products formed by cement hydration as ettringite in its various phases by scanning electron microscopy coupled to energy dispersive detector X-ray (SEM-EDS) becomes necessary due the variability of compounds present in the concrete characteristics, in order to assess its structural arrangement, allowing to display the morphology of hydrated compounds according to the conditions in which the hydration occurred. In this dissertation evaluated the rheological behavior of self compacting concrete in its fresh and hardened condition in order to obtain the properties according to the technical rules, contribution to the studies of the transition zone of concrete self compacting, and the hydration products of cement through the scanning electron microscopy coupled to energy dispersive x-ray (SEM-EDS).
vii
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO...1
OBJETIVOS...3
JUSTIFICATIVA...3
2 CONCRETO DE CIMENTO PORTLAND...4
2.1 Componentes da Estrutura do Concreto...4
2.1.1 Cimento Portland...4
2.1.2 Hidratação do Cimento Portland...9
2.1.2.1 Hidratação dos Aluminatos...11
2.1.2.2 Hidratação dos Silicatos de Cálcio...13
2.1.2.3 Hidratação de Hidróxido de Cálcio (CH)...14
2.1.2.4 Calor de Hidratação...14
2.2 TIPOS DE CIMENTO PORTLAND...16
3 CONCRETO AUTO ADENSÁVEL...17
3.1 Adições Minerais...18
3.2 Aditivos no Concreto Auto Adensável...19
4 MICROESTRUTURA DO CONCRETO...21
4.1 Histórico do Estudo da Microestrutura do Concreto...21
4.2 Microscopia Eletrônica de Varredura...22
4.3 Definição da Microestrutura no Concreto...25
4.4 Microestrutura da Pasta de Cimento...26
4.5 Microestrutura da Zona de Transição...30
4.6 Microestrutura do Concreto Auto Adensável...34
5 DESENVOLVIMENTO EXPERIEMENTAL ...36
5.1 Caracterização dos Materiais...38
5.1.1 Cimento Portland...38 5.1.2 Sílica Ativa...38 5.1.3 Pó de Pedra...39 5.1.4 Areia Natural...39 5.1.5 Agregado Graúdo...40 5.1.6 Aditivo Superplastificantes...41
viii
6 Dosagem dos Traços e Resultados...41
7 Amostras para análise por meio de MEV-EDS...45
7.1 Preparação da Amostra...46
6 RESULTADOS E DISCUSSÃO...48
6.1 Resultados por analise de Energia Dispersiva de Raios-x...68
7 CONCLUSÃO...75
ix
Dedicatória:
Dedico este trabalho
a Deus, a minha mãe Maria Cristina,
ao meu irmão Tiago, a minha cunhada Emanueli, ao meu sobrinho Enzo e a toda minha família que sempre acreditaram, confiaram, apoiaram,
amaram e me ensinaram o verdadeiro valor da vida e me deram apoio e compreensão
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Agradecimentos:
Agradeço primeiramente a Deus pelo Dom da Vida pelas graças que derrama a cada dia.
A minha mãe e toda família, pelo incentivo, ajuda e carinho.
Em especial a Prof as Luisa Andréia Gachet Barbosa e Rosa Cristina Cecche
Lintz pelos conhecimentos compartilhados, carinho, amizade e incentivo ao longo desses anos de estudo.
Ao Profº Dr.Wisley Riuper Ramos Osório pelas sugestões dadas no exame de qualificação.
Aos técnicos do Laboratório de Construção Civil da FT, Emerson Verzegnassi e Reginaldo Ferreira e aos bolsistas, pelo apoio e auxílio
técnico, paciência e amizade.
Ao meu grande amigo Jonatha pelas caronas, conversas, amizade e tudo que compartilhamos e aprendemos nesses anos juntos de estudos. Ao Instituto de Física (IF/UNICAMP), por intermédio do Prof. Dr. Luís
Fernando de Ávila, por possibilitar a realização dos ensaios de microscopia.
Ao Centro Nacional de Pesquisa em energia e Materiais – Laboratório de Nanotecnologia (CNPEM-LNNano), por intermédio do técnico Fabiano Emanuel Montoro, pelo treinamento e ensaios realizados no equipamento
MEV-EDS.
Á Faculdade de Tecnologia da UNICAMP por ter me proporcionado a oportunidade de desenvolver este trabalho.
Á CAPES, pela bolsa de estudos.
Não podendo esquecer as grandes amizades que conquistei ao longo desses anos, amizades inesquecíveis, agradeço pela cooperação e compreensão.
Agradeço a todos que diretamente ou indiretamente me ajudaram na conquista e realização desse sonho.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Micrografia de amostra polida de concreto. A - grão de cimento anidro; B - Produto de Hidratação interno - C-S-H; C - Hidróxido de cálcio; D - Produtos de hidratação externa - C-S-H; .2 Figura 2: Processo de transformações mineralógicas no interior do forno de clínquer, em função da
temperatura... 6
Figura 3: Fotomicrografia de um clínquer com cristais de alita com formação idiomórfica e subdiomórfica... 8
Figura 4: Fotomicrografia de um clínquer com cristais de belita. ... 9
Figura 5: Estrutura de um clínquer de cimento Portland observado ao microscópio ótico. ... 9
Figura 6: Curva de evolução da resistência mecânica à compressão das fases puras do clínquer Portland em função do tempo. ... 10
Figura 7: Desenvolvimento esquemático microestrutural durante a hidratação do cimento Portland. ... 11
Figura 8: Taxa de Liberação de Calor (cal/grama.h). ... 15
Figura 9: Microscópio eletrônico de Varredura Acoplado a Espectroscopia Dispersiva de Raios-x (MEV-EDS). ... 23
Figura 10: Desenho esquemático da coluna do Microscópio Eletrônico de Varredura - MEV. ... 24
Figura 11: Volume de Interação da Amostra com Feixe de Elétrons. ... 24
Figura 12: Imagem por elétrons retroespalhados de agregado reativo e a análise por EDS da região indicada pela seta. ... 25
Figura 13: Estrutura do concreto: agregado, zona de transição e matriz de pasta de cimento; Micrografia mostrando as fases do cimento hidratado. ... 25
Figura 14: Micrografia do Concreto. 1) Presença de C-S-H; 2) Presença de Ca(OH)2 ou C-H; 3) Vazios capilares. ... 27
Figura 15: Morfologia do silicato de cálcio hidratado C-S-H (a) as setas brancas indicam uma borda de produtos internos (parte superior à esquerda) e externos do C-S-H; (b) aumento da região com produtos internos de C-S-H; (c) aumento da região com produtos externos fibrosos de C-S-H. ... 27
Figura 16: Micrografia eletrônica de varredura, mostrando cristais de Ca (OH)2 na interface da pasta de cimento com a areia. Largura do campo =66μm; Observação: Uma folha de papel = 100 μm; Traço: 1.0, 1.8, 5.5; Cimento = 450kg/m3 ; água /cimento =0.50 ; fc28dias =36,3 MPa. ... 28
Figura 17: Cristais de etringita e monossulfato hidratado. ... 28
Figura 18: Micrografia dos Vazios Capilares. ... 28
Figura 19: Micrografia ar incorporado presença de etringita. ... 28
Figura 20: Micrografia ar aprisionado. ... 28
Figura 21: Micrografia Eletrônica de Varredura de uma amostra fraturada de uma pasta de cimento Portland com 3 dias de idade. ... 29
Figura 22: Modelo esquemático dos tipos de água associados aos silicatos de cálcio hidratado. ... 30
Figura 23: Micrografia do concreto, interface pasta e agregado – Zona de transição; ampliação de 110x em MEV. ... 31
Figura 24: Análise da imagem ao redor do grão de areia: (a) área da imagem, (b) níveis de cinza da zona de transição, (b) (c) e (d) imagem binária segmentada mostrando os poros e o hidróxido de cálcio, respectivamente. ... 33
Figura 25: Estrutura de C-S-H denso em um concreto com sílica ativa em torno do agregado com ausência de zona de transição entre a pasta e o agregado. ... 35
xii
Figura 27: CAA de referência no estado fresco. ... 42
Figura 28: Determinação do espalhamento e do tempo de escoamento pelo cone de Abrams. ... 43
Figura 29: Determinação da habilidade passante Método de Caixa L.. ... 43
Figura 30: Determinação da viscosidade Método do funil V. ... 43
Figura 31: Moldagem dos corpos de prova de CAA. ... 44
Figura 32: Corpos de prova de CAA. ... 44
Figura 33: Ensaio da determinação da resistência à compressão dos corpos de prova cilíndricos. ... 44
Figura 34: Fragmento do concreto auto adensável. ... 45
Figura 35: Equipamento utilizado para obtenção do filme de ouro. ... 47
Figura 36: a) amostras sem recobrimento por ouro; b) amostras após recobrimento com ouro e acréscimo de pedaços de fita de carbono para menor condução de elétrons ... 47
Figura 37: Micrografia da pasta de cimento Porltand, observação da sua forma heterogênea. ... 48
Figura 38: Micrografia da pasta de cimento Portland hidratada; presença de microfissuras no clínquer e na pasta característica da constante hidratação. ... 49
Figura 39: Apresentação da pasta de Cimento Portland: característica heterogênea. ... 50
Figura 40: Cristais de etringita nas primeiras horas de hidratação. ... 51
Figura 41: Ampliação da região com formação de etringita e C-S-H. ... 51
Figura 42: : Cristais de etringita ... 52
Figura 43: Ampliação da região cristais de etringita. ... 52
Figura 44: Cristais de etringita retardada na pasta cimento Portland. ... 53
Figura 45: Pasta de cimento hidratada presença de monossulfoaluminato. ... 54
Figura 46: Aumento da região com Cristais de Monossulfoaluminato ... 54
Figura 47: Aumento da região com presença de monossulfoaluminato. ... 55
Figura 48: Cristais de monossulfoaluminatos e presença de microfissuras e vazios. ... 55
Figura 49: Início da formação de placas hexagonais deCa(OH)2. ... 56
Figura 50: Ampliação da região do inicio da formação de placa hexagonal de Ca(OH)2. ... 56
Figura 51: Cristais de Ca(OH)2 formação de placas hexagonais sobrepostas. ... 57
Figura 52: Principais produtos da hidratação do cimento - silicato de cálcio hidratado C-S-H, Etringita e Ca(OH)2. ... 58
Figura 53: Formação de placas hexagonais de hidroxido de cálcio Ca(OH)2. ... 58
Figura 54: Concreto auto adensável interfase zona de transição e agregado. ... 59
Figura 55: Zona de transição concreto auto adensável. ... 60
Figura 56: Ampliação da Zona de transição concreto auto adensável. ... 60
Figura 57: Imagem do Concreto Convencional. ... 60
Figura 58: Zona de Transição Concreto Convencional. ... 60
Figura 59: Análise da Pasta de Cimento hidratada do CAA por EDS. ... 61
Figura 60: Elementos químicos presentes na Figura 59. ... 61
Figura 61: Análise dos elementos químicos por meio de MEV-EDS referente ponto 46 da Figura 59. ... 62
Figura 62: Análise dos elementos químicos por meio de MEV-EDS referente ponto 47 da Figura 59. ... 62
Figura 63: Análise dos elementos químicos por meio de MEV-EDS referente ponto 48 da Figura 59. ... 62
Figura 64: Amostra de pasta com clínquer em processo de hidratação. ... 63
Figura 65: Análise dos elementos químicos por meio de MEV-EDS referente Figura 64. ... 63
Figura 66: Análise dos elementos químicos presentes no ponto10 por meio de MEV-EDS referente Figura 64. ... 63
xiii Figura 68: Análise dos elementos químicos por MEV-EDS da amostra total de CAA: zona de transição. ... 64 Figura 69: Análise dos elementos químicos por MEV-EDS referente ao ponto 30 da Figura 67. .... 64 Figura 70: Análise dos elementos químicos por MEV-EDS referente ao ponto 31 da Figura 67. .... 65 Figura 71:: Análise dos elementos químicos por MEV-EDS referente ao ponto 32 da Figura 67. ... 65 Figura 72: Análise dos elementos químicos por MEV-EDS referente ao ponto 33 da Figura 67. .... 65 Figura 73: Análise dos elementos químicos por MEV-EDS referente ao do ponto 34 da Figura 67. ... 65
xiv
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Componentes do cimento Portland, expressos como compostos individuais dos óxidos do
clínquer e suas abreviações. ... 6
Tabela 2: Calor de hidratação dos componentes do cimento Portland. ... 15
Tabela 3: Composição dos cimentos Portland. ... 16
Tabela 4: Classificação das adições (EFNARC,2005). ... 19
Tabela 5: Tipos de aditivos para o concreto. ... 20
Tabela 6: Propriedades físicas e químicas do CPV ARI. ... 38
Tabela 7: Análise química da sílica ativa. ... 38
Tabela 8: Composição granulométrica do pó de pedra. ... 39
Tabela 9: : Granulometria da areia natural. ... 39
Tabela 10: Conjunto de Peneiras das séries normal e Intermediária com a abertura nominal. ... 40
Tabela 11: Composição e classificação granulométrica do agregado graúdo. ... 40
Tabela 12: Dosagem do concreto auto adensável. ... 41
Tabela 13: : Resultados da ABNT NBR 15823-1:2010. ... 43
xv
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABCP - Associação Brasileira de Cimento Portland ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas a/c - relação água/cimento
ATD - Análise Térmica Diferencial Ca(OH)2 = Hidróxido de Cálcio
CPV ARI - Cimento Portland de Alta Resistência Inicial C-S-H = Silicato de Cálcio Hidratado
CNPEM - Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais DRX - Difração de raios-x
EDS - Energia dispersiva de raios-x FT - Faculdade de Tecnologia
ISO - International Organization for Standardization MEV - Microestrutura Eletrônica por Varredura NBR - Norma Brasileira
TGA - Análise termogravimétrica
UNICAMP - Universidade Estadual de Campinas μm - Micrômero
1
1
INTRODUÇÃO
Os estudos sobre o concreto auto adensável (CAA) tiveram início em 1986, na Universidade de Tókio, com seu primeiro protótipo em 1988 (OKAMURA et al., 1999).
O desenvolvimento de concretos especiais, como os chamados concretos auto adensáveis (CAA) foram necessários para garantir estruturas mais duráveis, uma vez que o mercado apresentava carência de mão de obra qualificada e de equipamentos adequados para atender às exigências das estruturas com elevada taxa de armadura, visto que tais estruturas são comuns devido aos abalos sísmicos no Japão (OKAMURA et al., 1999).
O CAA possui vantagens ambientais, técnicas e econômicas sobre concreto convencional, como a aceleração do processo de construção, a redução mão de obra e maior durabilidade (OKAMURA et al., 2013). Ao lado de interesses de pesquisa, as aplicações do CAA na indústria da construção também aumentaram devido à tecnologia deste concreto. Caracterizado pela aptidão de compactar-se por meio do sua própria gravidade e sem qualquer necessidade de vibração para o preenchimento de toda a superfície como citam Tutikian et al., (2008), Angelin et al., (2015), Alcantara&Mendes (2015).
O concreto auto adensável é constituído pelos mesmos materiais utilizados na produção de concretos convencionais, como: aglomerantes, agregados graúdos e miúdos e água; com a adição de aditivos químicos e/ou minerais, materiais esses diretamente ligados às propriedades de resistência à segregação, durabilidade e resistência do concreto (TUTIKIAN et al., 2008).
O CAA contendo aditivos químicos vem sendo utilizado para satisfazer a grande demanda de finos necessários para este tipo de concreto, melhorando assim as suas propriedades mecânicas, reológicas e durabilidade em comparação com o concreto convencional.
Pesquisadores como Lorini et al., (2015), Siddique (2011), El-Dieb (2009) investigaram os efeitos de diferentes misturas nas propriedades do CAA; propriedades mecânicas e de durabilidade de ultra alta força de fibra de concreto armado (UHS-FRC) com características de auto compactação (JALAL et al., 2012).
Segundo Mehta&Monteiro (2014), em nível de macroestrutura, o concreto pode ser considerado como um material bifásico, consistindo de partículas de agregado dispersas em uma matriz de cimento. Enquanto a nível microscópico, aparece uma terceira fase: a região interfacial entre as partículas de agregado graúdo e a pasta endurecida, conhecida como zona de transição. Os cristais lamelares formados na zona de transição geram uma orientação preferencial em relação à
2 superfície do agregado, facilitando a propagação intercristalina das fissuras; formando-se uma concentração de tensões sempre que o concreto é submetido a ações mecânicas, fragilizando a região. Para Mehta&Monteiro (2014) uma das maneiras de reduzir esse efeito é por meio da redução da relação água cimento (a/c) e da incorporação de partículas com granulométrica mais finas que a do cimento, como é o caso da sílica ativa. Além do aumento da resistência da pasta de cimento devido a maior compacidade, existe também um aumento da resistência pela diminuição da quantidade de produtos cristalinos nos produtos de hidratação, conforme a Figura 1.
Figura 1: Micrografia de amostra polida de concreto. A - grão de cimento anidro; B - Produto de Hidratação interno - C-S-H; C - Hidróxido de cálcio; D - Produtos de hidratação externa - C-S-H;
Fonte: MEHTA&MONTEIRO, (2014.)
A dosagem do CAA muitas vezes envolve o ajuste de várias misturas com parâmetros para conseguir um elo entre as propriedades nos seus estados fresco e endurecido.
As características do material, método de mistura no traço do CAA tem um efeito significativo sobre todos os aspectos de sua produção, posicionamento e nas propriedades no estado fresco e endurecido (LONG et al., 2015). O método mais apropriado deve-se ser escolhido de acordo com as situações reais de obtenção do CAA de alta qualidade com propriedades satisfatórias (SHI et al., 2015). Pesquisas foram desenvolvidas Shi et al., (2015), Long et al., (2015), Celik et
al., (2014), Morteza et al., (2014), Kanellopoulos et al., (2012), Siddique, (2013) para melhor
compreender o desempenho do concreto auto adensável.
Esse trabalho pretende colaborar no melhor entendimento do comportamento da microestrutura da zona de transição do concreto auto adensável (CAA) e dos produtos formados pela hidratação do cimento como a etringita em suas variadas fases por meio da microscopia eletrônica de varredura acoplada ao detector de energia dispersiva de raios-x (MEV-EDS).
3
OBJETIVOS
A presente dissertação de mestrado tem como objetivo a comparação da microestrutura do concreto auto adensável com o concreto convencional avaliando a zona de transição e dos produtos da hidratação como a formação da etringita em suas variadas fases com o auxílio da técnica de microscopia eletrônica de varredura acoplada à energia dispersiva de raios-x (MEV-EDS).
JUSTIFICATIVAS
Para um concreto ser considerado auto adensável, deve apresentar três propriedades fundamentais: fluidez, coesão ou habilidade passante e resistência à segregação. Pesquisas realizadas por Angelin
et al., (2015), Alcantara&Mendes (2015), Long et al., (2015) sobre CAA vêm se desenvolvendo
com o objetivo de conhecer seu comportamento, melhorar suas propriedades e verificar sua aplicabilidade em diferentes elementos estruturais. Para a obtenção do CAA, além da presença de aditivos químicos (superplastificantes), o uso de uma alta quantidade de finos (aditivos minerais) em suas misturas permite o alcance das propriedades de auto adensabilidade.
O estudo da comparação da microestrutura do concreto auto adensável com o concreto convencional torna-se importante por possuírem variedade de adição mineral com a função do preenchimento dos vazios e do empacotamento granulométrico na matriz de cimento Portland. Além da adição de aditivos químicos que garantem sua fluidez com melhores desempenhos provenientes a adição dos minerais ao CAA nas características da resistência compressão, resistência à tração, resistência à retração.
Desta forma, essa dissertação contribuirá aos estudos realizados pelo grupo de pesquisa em sustentabilidade na construção civil, coordenado pelas professoras Luísa Gachet e Rosa Lintz [Angelin et al., (2015); Galzerano et al,. (2013); Soares et al., (2009)] para a contribuição e desenvolvimento dos estudos sobre o CAA buscando a melhor compreensão e intervenção deste material na construção civil.
4
2
CONCRETO DE CIMENTO PORTLAND
O concreto é o material mais largamente utilizado na construção, normalmente feito com a mistura de cimento Portland, areia, pedra e água. Embora não seja tão duro e nem tão resistente quanto o aço, é o material mais usado na construção civil. Isto, devido a vários fatores: é resistente à água, facilidade de se obter elementos estruturais de várias formas e tamanhos, pouca manutenção, baixo custo e rápida disponibilidade do material (MEHTA&MONTEIRO, 2014).
De acordo com Meneses (2011), ao longo dos últimos anos o concreto vem sendo estudado no intuito de melhorar suas propriedades mecânicas e proporcionar economia e velocidade às construções. As solicitações arquitetônicas exigem elementos estruturais cada vez mais esbeltos, leves e até coloridos.
Nos últimos anos a tecnologia do concreto passou por grandes desenvolvimentos que segundo diversos pesquisadores como Díaz et al., (2010), Bektas et al., (2012), Ibrahim et al., (2013) ocorreram devido à evolução de algumas técnicas e utilização de novos equipamentos para estudo dos concretos, assim como o uso de materiais novos e alternativos aos convencionais. Dentre os novos materiais, destacam-se os aditivos redutores de água e as adições minerais, como a sílica ativa, que propiciaram melhorias relevantes nas propriedades relacionadas à durabilidade dos concretos (NEVILLE et al., 2013). Isaia (2011) cita que é um dos materiais que mais se adapta ao conceito de sustentabilidade gerando ganhos expressivos em economia de matéria-prima, energia, emissão de gases tóxicos à atmosfera e a reutilização de resíduos poluidores do meio ambiente.
Assim, este capítulo apresenta definições, dos constituintes do concreto e suas propriedades químicas.
2.1 COMPONENTES DA ESTRUTURA DO CONCRETO 2.1.1 CIMENTO PORTLAND
Associação Brasileira de Cimento Portland - ABCP (2012) define o cimento como um pó fino, com propriedades aglomerantes, aglutinantes ou ligantes, que endurece sob a ação de água. O pó de cimento é composto por grãos de vários tamanhos e formas, variando de 1µm a 50µm (MEHTA&MONTEIRO, 2014).
5 O cimento Portland é obtido por meio da moagem do clínquer manufaturado e da adição de sulfato de cálcio (5-10%) na forma de dihidrato (gipsita) ou anidro em cada cimento específico, para moderar e retardar o início da pega (BATTAGIN, 2011).
Maringolo (2001) define a manufatura do clínquer como processos geológicos acelerados, os quais transformam matérias-primas e rearranjam elementos químicos em novos materiais. Destaca que sua produção pode ser entendida como um tipo de metamorfismo térmico agindo sobre um pacote de rochas calcárias com argila, cuja composição inclui os principais elementos formadores de rochas, cálcio, silício, alumínio e ferro, confinados em um sistema fechado, o forno rotativo, no interior do qual são submetidos a um gradiente térmico que atinge 1450ºC, em ambiente oxidante.
Uma série de reações em estado sólido, na presença de uma fase líquida e enriquecida em alumínio e ferro, originará a composição básica do clínquer, composta de quatro minerais principais: o silicato tricálcico (alita, C3S ou 3CaO. SiO2), o silicato dicálcico (belita, C2S ou 2CaO.
SiO2), o aluminato tricálcico (C3A ou 3CaO. Al2O3) e o ferroaluminato tetracálcico (C4AF ou
4CaO. Al2O3.Fe2O3) ((BATTAGIN, 2011); (MEHTA&MONTEIRO, 2014)), conforme Equação 1. Equação 1.
Calcário - CaO+ CO2 3CaO. SiO2
+
2CaO. SiO24CaO. Al2O3.Fe2O3
Argila - SiO2+ Al2O3+ Fe2O3
Durante a calcinação consome-se em torno de 800Kcal/Kg de cimento produzido. A mistura sofre uma série de reações químicas complexas e o material que deixa o forno tem a forma de nódulos com 5 a 25mm de diâmetro sendo denominado clínquer. Com a finalidade de controlar as reações iniciais de pega e endurecimento do cimento, aproximadamente, 5% de gipsita ou sulfato de cálcio (CaSO4) é usualmente moído juntamente com o clínquer (MEHTA&MONTEIRO, 2014).
Na Figura 2, é apresentado o processo das transformações mineralógicas do clínquer no forno em função da temperatura.
6 Figura 2: Processo de transformações mineralógicas no interior do forno de clínquer, em função da temperatura.
Fonte: WOLTER, (1985).
Essas fases cristalinas resfriadas abruptamente serão metaestáveis nas condições ambientais e reagirão rapidamente com água transformando-se em componentes hidratados estáveis que conferirão ao cimento seu caráter hidráulico. Encontram-se compostos menores como os óxidos de cálcio livres, óxidos de sódio e potássio, de magnésio, manganês, fosfato, fluoretos e sulfatos. PAULON&KIRCHHEIN, (2011), MARINGOLO, (2001).
Os resultados de análises químicas de rotina para o cimento Portland são expressos em termos dos óxidos dos elementos presentes, como mostra a Tabela 1.
Tabela 1: Componentes do cimento Portland, expressos como compostos individuais dos óxidos do clínquer e suas abreviações.
Óxidos Abreviação Compostos Abreviação
CaO C 3CaO. SiO2 C3S
SiO2 S 2CaO. SiO2 C2S
Al2O3 A 3CaO. Al2O3 C3A
Fe2O3 F 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF
MgO M 4CaO.32MgO3.SO3 C4A3S
SO3 S 3CaO.SiO2.3H2O C3S2H3
H2O H CaSO4.H2O CSH2
Fonte: MEHTA&MONTEIRO, (2014).
A alita - C3S (Silicato Tricálcio) representada na Figura 3 é o principal constituinte do
clínquer correspondendo entre 40-70% em massa. Formada por íons cálcio e íons oxigênio. A forma irregular como os íons oxigênio se agrupam em torno dos íons cálcio deixam grandes espaços vazios, responsáveis pela alta reatividade deste composto (MEHTA&MONTEIRO, 2014).
8 Na hidratação cimento Portland, a alita acelera o endurecimento, aumenta o calor de hidratação e é responsável pelas resistências mecânicas iniciais. Alita apresenta seus cristais em forma prismática hexagonal e quando esse cristal desenvolve todas as faces do hexágono é denominado idiomórfico. A dimensão média dos cristais de alita é outra característica importante do clínquer, que são decorrentes das condições reinantes no interior do forno que proporcionam impacto no desempenho do produto final, o cimento (BATTAGIN, 2011).
Cristais com dimensões elevadas de alita (>60µm) são formados em condições energéticas de queima e pouco reativos, enquanto cristais pouco desenvolvidos (<20µm) caracterizam clínqueres submetidos a condições insuficiente de queima resultando em clínqueres mal queimados e normalmente com elevados teores de cal residual. Cristais de alita com diâmetro entre 30µm e 40µm indicam condições normais de queima e são os mais desejáveis, pois são os mais reativos (BATTAGIN, 2011).
Figura 3: Fotomicrografia de um clínquer com cristais de alita com formação idiomórfica e subdiomórfica.
Fonte: Martins, (2003).
A belita – C2S (Silicato Dicálcio) - Na estrutura molecular da beta os vazios intersticiais são
menores e, por esta razão, sua reatividade é menor que a da Alita. A Belita, observada na Figura 4 correspondem à hidratação do cimento Portland pelas resistências finais, apresenta baixo calor de hidratação e endurecimento lento e correspondem de 10-20% do clínquer. Seus cristais aparecem com formato arredondado, que estão diretamente relacionadas às condições de resfriamento do processo industrial (BATTAGIN, 2011).
Na Figura 5 é demonstrado a estrutura de um clínquer de cimento Portland relativamente comum observado ao microscópio ótico, com cristais de alita, belita, aluminato tricálcico,ferroaluminato tetracálcico.
8 Figura 4: Fotomicrografia de um clínquer com cristais
de belita.
Figura 5: Estrutura de um clínquer de cimento Portland observado ao microscópio ótico.
Fonte: Martins, (2003). Fonte: Martins, (2003).
A fase intersticial, que corresponde 15-20% do clínquer é denominada como o material que preenche os espaços vazios entre os cristais de alita e belita, compreendendo o material que se funde durante o processo de clinquerização. Formada por aluminatos e ferroaluminatos cálcicos, em solução sólida (BATTAGIN, 2011).
O aluminato tricálcico (C3A) é o principal aluminato presente no cimento. Sua reação com a
água é violenta e provoca o enrijecimento imediato da pasta (pega instantânea) por ser o componente mais reativo do clínquer.
Mehta&Monteiro (2011) citam que pelo fato do C3A reagir rapidamente com a água
adiciona-se a gipsita (CaSO4.2H2O) ao clínquer na fabricação do cimento Portland, com o propósito
de retardar a pega.
Durante e após a hidratação do cimento, a presença do aluminato tricálcico é inoportuna porque pouco contribui para a resistência à compressão, exceto nas primeiras horas, contudo, sua presença é necessária porque ele atua como um fundente no interior do forno, reduzindo as temperaturas de queima por facilitar a combinação da cal e da sílica.
O ferroaluminato tetracálcico (C4AF) é o mais comum dentre os compostos ferroaluminatos
cálcicos encontrados no cimento, tem importante função na resistência química do cimento, em especial ao ataque de sulfatos às estruturas de concreto (BATTAGIN, 2011).
Não contribui para a resistência à compressão do cimento e tem calor de hidratação, relativamente baixo, ficando entre o C3S e o C2S.
9 2.1.2 HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORLAND
O cimento Portland é constituído por quatro principais compostos: C3S, C2S, C3A e C4AF,
que adquirem suas propriedades aglomerantes a partir da adição da água, com o início do processo de hidratação ocorrem reações químicas simultâneas entre os compostos anidros do cimento com água como citam Cincotto, (2014), Mehta&Monteiro, (2014).
O cimento é um material composto por adição ou não, fases do clínquer e sulfato de cálcio, que ao se misturam os compostos anidros com a água incorpora a sua estrutura cristalina íons OH- ocasionando as reações de hidratação (CINCOTTO, 2011).
A avidez do cimento por água está relacionada à necessidade de os componentes do clínquer atingirem seu campo de estabilidade sob condições ambientais imperantes. Em função dessa necessidade, os elementos químicos, juntamente com a molécula de água, rearranjam-se em novos sistemas cristalinos, conferindo à mistura água-cimento sua rigidez, a propriedade reológica principal do produto (PAULON&KIRCHHEIN, 2011).
A hidratação do cimento Portland é um sistema complexo, pois, embora cada fase tenha uma reação característica com a água, o teor relativo em que estão presentes tem efeito sobre a evolução da hidratação como um todo (CINCOTTO, 2011).
Para Neville (1997) existem duas formas de reação entre os constituintes do cimento e a água: a) incorporação direta de algumas moléculas de água, ou seja, hidratação propriamente dita, e b) hidrólise, isto é, quebra e dissolução de determinados componentes do cimento, como, por exemplo, o gesso que disponibiliza íons sulfato ao sistema.
Cincotto (2011) relaciona o enrijecimento ao longo do tempo do concreto inicialmente fluído com as reações de hidratação do cimento e a reatividade das fases do cimento por meio das condições de temperatura e pressão da cura bem como o efeito das formações dos produtos hidratados.
Considerando-se os principais constituintes mineralógicos do clínquer Portland, Mehta&Monteiro (2014) citam que os aluminatos se hidratam muito mais rapidamente que os silicatos. Ainda, segundo esses autores, o enrijecimento (perda de consistência) e pega (solidificação) resultam diretamente das reações de hidratação dos aluminatos, enquanto que os silicatos correspondentes a 75% do clínquer têm a importância das características do endurecimento, ou seja, a resistência mecânica à compressão, conforme Figura 6.
10 Cincotto (2011) refere-se à reação de hidratação como dinâmica e que se modifica no sentido de atingir a forma mais estável, isto após que se complete a composição dos produtos hidratados.
Figura 6: Curva de evolução da resistência mecânica à compressão das fases puras do clínquer Portland em função do tempo.
Fonte: MEHTA&MONTEIRO, (2014).
A hidratação do cimento consiste em um conjunto de processos físico-químicos que obedecem às leis da termodinâmica e da cinética (CINCOTTO, 2014).
As variações de concentração de soluto e água fazem com que se gere um gradiente de concentração, originando uma pressão osmótica que vai trazer a ruptura do gel, expondo novas áreas do composto anidro à ação da água (PETTRUCCI, 1998).
A hidratação do cimento termina quando não existir mais fase anidra de cimento (misturas elevada relação água/cimento e bem curadas), quando a água não puder mais chegar às fases não hidratadas (sistemas muito densos e desfloculados), ou ainda quando não existe mais água disponível, caso isso aconteça à relação água/ cimento é muito baixa (PAULON&KIRCHHEIN, 2011).
O desenvolvimento esquemático da microestrutura durante a hidratação do cimento Portland é apresentado na Figura 7.
11 Figura 7: Desenvolvimento esquemático microestrutural durante a hidratação do cimento Portland.
Fonte: ISAIA, (2005).
As fases anidras do cimento, em água, se solubilizam e, ao atingir a concentração de saturação dos respectivos compostos hidratados, precipitam sobre a superfície dos grãos ainda não dissolvidos. Com isso há o gradual recobrimento da fração ainda residual, restringindo parcialmente a transferência de íons para a solução. Este mecanismo de reação é denominado hidratação por dissolução/precipitação, formando a camada externa de hidratos. Havendo o recobrimento total dos grãos, o prosseguimento das reações requer a difusão da água por meio desta camada para atingir a fração anidra com o crescimento dos compostos hidratados internamente à camada externa (HOPPE FILHO, 2008).
2.1.2.1 Hidratação dos Aluminatos
Mehta&Monteiro (2014) relatam que a reação de hidratação do aluminato tricálcico (C3A) é
muito rápida e que a adição de gipsita (CaSO4.2H2O) ao clínquer do cimento, tem por finalidade a
desaceleração desta reação. Estes autores relatam também que os hidratos cristalinos, como C3AH6,
C4AH19 e C2AH8, formam-se rapidamente, com a liberação de uma grande quantidade de calor de
12 Dependendo da concentração de sulfato a hidratação do C4AF produz C6A(F)S3H32,
conforme Equação 2 ou C4A(F)SH18, observado na Equação 3expressam diferenças na composição
química, estruturas cristalinas semelhantes a da etringita que se cristaliza como pequenas agulhas prismáticas e ao monossulfoaluminato cuja forma cristalina é representada por formato de “rosas”. (MEHTA&MONTEIRO, 2014).
Uma vez que a gipsita e álcalis entram em solução rapidamente, a solubilidade do C3A é
diminuída na presença de íons hidroxila, sulfato e álcalis. Dependendo da concentração de aluminato e íons sulfato na solução, o produto cristalino da precipitação é o triossulfoaluminato de cálcio hidratado ou monossulfoaluminato de cálcio hidratado (MEHTA&MONTEIRO, 2014).
Etringita Equação 2
[AlO4]- + 3[SO4] 2- + aq. C6AS3H32
Monossulfato Equação 3
[AlO4] – + [SO4] 2- + 4[Ca] 2+ + aq. C4ASH18
A etringita é o primeiro hidrato a se cristalizar por causa da alta relação sulfato/aluminato na fase aquosa.
A precipitação da etringita contribui para o enrijecimento e o desenvolvimento da resistência inicial, posteriormente o sulfato ser todo consumido, e a concentração de íons aluminato volta a se elevar devido à hidratação de C3A e C4AF, a etringita torna-se instável e é gradualmente convertida
em monossulfato, produto final da hidratação cimento Portland que contenha mais 5% de C3A
(MEHTA&MONTEIRO, 2014) expressa pela Equação 4.
Equação 4
13 2.1.2.2 Hidratação dos Silicatos de Cálcio
A hidratação da alita (C3S) e da belita (C2S) no cimento Portland produz uma família com
estruturas similares, denominados de silicatos de cálcio hidratados (C-S-H) com cristalinidades, morfologias e composições bastante variáveis, dependendo do tempo de reação, teores de adição de cimento, temperatura e relação água/cimento conforme mencionam Cincotto (2014), Paulon& Kirchhein (2011), Mehta&Monteiro (2014).
Em geral o material é pouco cristalino e forma um sólido poroso que apresenta características de um gel rígido. Na literatura esse gel, algumas vezes é denominado gel de
tobermorita por apresentar semelhante estrutura de um mineral natural (MEHTA&MONTEIRO,
2014). A cinética de hidratação do cimento depende da solubilidade de C3S, da taxa de nucleação
do C-S-H e da velocidade do seu crescimento ao redor dos núcleos formados. A temperatura ambiente afeta a dissolução das fases anidras e, consequentemente, as reações iniciais, sendo assim o aumento da temperatura favorece a dissolução das fases anidras e diminui a solubilidade da portlandita (AYACHE et al., 2015).
Os C-S-H representa de 50 a 60% do volume de sólidos da pasta totalmente hidratada, sendo responsáveis por suas principais propriedades. Embora não se conheça a estrutura exata do C-S-H, acredita-se que a mesma seja constituída de camadas com área específica elevada (100 a 700m2/g). Uma ideia de como poderiam ser representadas as reações de hidratação dos silicatos em pastas totalmente hidratadas é indicada a seguir nas Equações 4 e 5.
Equação 4
2C3S + 6H C3S2H3 + 3CH
Equação 5 2C2S + 4H C3S2H3 + CH
Na hidratação dos silicatos de cálcio, uma parcela da cal é liberada na forma de hidróxido de cálcio Ca(OH)2, também chamado de portlandita, constituindo de 20% a 25% do volume de sólidos
da pasta hidratada. Os cristais de portlandita são mais solúveis que as partículas do C-S-H, e sua presença na pasta reduzem a durabilidade a águas ácidas e sulfatadas.
Segundo Mehta&Monteiro (2014), a hidratação do C3S produziria 61% de C3S2H3 e 39% de
Ca(OH)2 enquanto que a hidratação do C2S produziria 82% de C3S2H3 e 18% de Ca(OH)2 e disto
14 2.1.2.3 Hidratação de Hidróxido de Cálcio (CH)
Conhecidos também como portlandita, os cristais de CH constituem de 20-25% do volume de sólidos na pasta de cimento hidratada. Geralmente encontrado na forma de grandes cristais prismáticos hexagonais, podem variar de indefinível a pilhas de grandes placas. A formação desses cristais é afetada pela disponibilidade de espaço, pela temperatura de hidratação e pelas impurezas no sistema. Esses cristais contribuem pouco na resistência do concreto, principalmente por sua área ser consideravelmente baixa segundo citam Mehta&Monteiro (2014), Paulon&Kirchhein (2011).
2.1.2.4 Calor de Hidratação
Os compostos presentes no cimento Portland, obtidos no processo de queima a altas temperaturas (1450ºC) (BATTAGIN, 2011). Ao entrarem em contato com a água, estes compostos reagem produzindo compostos hidratados e liberando a energia em forma de calor.
Quanto mais fino estiver o grão de cimento maior será a velocidade de hidratação e, consequentemente, maior o calor gerado. Embora a resistência final de um cimento totalmente hidratado independa da finura original desse ligante, a velocidade de hidratação está intimamente associada a esse parâmetro. Assim, para o desenvolvimento rápido da resistência mecânica é necessário um grau de finura elevado (PAULON&KIRCHHEIN, 2011).
Este calor pode ter implicações prejudiciais à estrutura do concreto principalmente em grandes volumes de mistura, uma vez que o aumento de temperatura provocado pelo calor de hidratação, nas primeiras horas, provoca variações volumétricas e, consequentemente, tensões internas na pasta ainda pouco hidratada.
Em ambientes frios, onde as temperaturas são mais baixas, a hidratação dos compostos do cimento Portland é mais lenta e o calor de hidratação contribui acelerando o processo de hidratação que quanto maior o teor de C3S e de C3A, maior o calor de hidratação do cimento. Na Tabela 2,
15 Tabela 2: Calor de hidratação dos componentes do cimento Portland.
Calor de hidratação a uma dada idade (cal/g)
Compostos 3 dias 90 dias 13 anos
C3S 58 104 122
C2S 12 42 59
C3A 212 311 324
C4AF 69 98 102
Fonte: MEHTA&MONTEIRO, (2014).
Existem fatores que afetam o calor de hidratação, como a composição química, a reatividade química dos compostos, a finura do cimento sendo que quanto mais fino o cimento mais rápido a sua hidratação, adições pozalanas que tendem a retardas o calor de hidratação. Com relação ao tempo de dormência está relacionado com a quantidade de gesso presente no cimento. Na Figura 8 apresenta-se uma curva referente à taxa de liberação em calor versus o tempo e a formação dos compostos como caso o silicato de cálcio hidratado, etringita, monossulfato.
Figura 8: Taxa de Liberação de Calor (cal/grama.h).
Fonte: MEHTA&MONTEIRO, (2014).
As micrografias que apresentam a formação dos compostos de hidratação do cimento estão detalhadas no Capítulo 6.
16 2.2 TIPOS DE CIMENTO PORTLAND
Na designação dos cimentos, as iniciais CP correspondem à abreviatura de Cimento Portland, e são seguidas dos algarismos romanos de I a V, conforme o tipo de cimento, sendo a classe expressa por números (25, 32 e 40) que indicam a resistência à compressão do corpo-de-prova padrão, em MPa, segundo a Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP, 2012). Conforme a composição e as adições feitas em sua produção, os cimentos Portland podem ser classificados conforme Tabela 3.
O Cimento Portland de Alta Resistência Inicial (CPV-ARI) cimento escolhido para ser utilizado nesta pesquisa por apresentar a propriedade de atingir altas resistências já nos primeiros dias após a aplicação. Isto é possível pela utilização de uma dosagem específica de calcário e argila na produção do clínquer, além de uma moagem mais fina para que o cimento, ao reagir com a água, adquira elevadas resistências com maior velocidade. A Norma NBR 5733:1991 (Cimento Portland
de alta resistência inicial) fixa condições exigíveis no recebimento do cimento Portland de alta
resistência inicial (CPV-ARI). Battagin (2011) cita que os valores médios aproximados de resistência à compressão é acima de 25MPa para um dia de idade e de 50 MPa aos 28 dias, sendo recomendado para postes, lajes, pavimentação etc.
Tabela 3: Composição dos cimentos Portland. Tipo de Cimento Portland Composição (% de massa) Norma ABNT Sigla Clínquer + Gesso Escória de Alto-Forno (E) Material Pozolânico (Z) Material Carbonático (F) Comum CPI 100 - NBR5732 CPI-S 99 - 95 1 - 5 Composto CPII-E 94 - 56 6 – 34 0 - 10 NBR1157 8 CPII-Z 94 - 76 - 6 - 14 0 - 10 CPII-F 94 - 90 - - 6 - 10 Alto-Forno CPIII 65 - 25 35 - 70 - 0 - 5 NBR5735 Pozolânico CPIV 85 - 45 - 15 - 50 0 - 5 NBR5736 Alta Resistência Inicial CPV- ARI 100 - 95 - - 0 - 5 NBR5733 Fonte: MEHTA&MONTEIRO, (2011).
17
3
CONCRETO AUTO ADENSÁVEL
A EFNARC (European Federation of National Trade Associations Representing Producers and Applicators of Specialist Building Products) foi fundada em março de 1989 e descreve o CAA como o maior desenvolvimento da construção em estruturas de concreto nas últimas décadas (CAVALCANTI, 2006).
Segundo Mehta&Monteiro (2014) no final da década de 70 e no início dos anos 80, pesquisas pioneiras na Itália, Alemanha e Japão levaram ao desenvolvimento de misturas de concreto de alta trabalhabilidade que são comercialmente conhecidas por vários nomes, como concreto auto adensável, concreto autocompactavél, concreto autonivelante e concreto reoplástico.
O constante emprego do concreto auto adensável vem crescendo devido também às vantagens atreladas ao seu comportamento estético e estrutural tais como: a eliminação dos defeitos das peças concretadas (sem falhas na superfície) e a proteção contra fatores externos, devido à baixa porosidade e microestrutura mais densa (concreto com alta durabilidade) (OKAMURA et al.,2003).
Paumgartten (2010) relata que seu único meio de adensar é por meio do seu próprio peso, pela ação da força da gravidade. Apresenta em sua composição um alto teor de finos e adição de superplastificante. Para o melhor desempenho do CAA a utilização de cimentos com uma menor variabilidade em termos de resistência à compressão torna-se o mais indicado. O concreto auto adensável não pode depender de vibração externa para cumprir seu papel.
Assim que a hidratação do cimento é iniciada o concreto CAA torna-se bifásico constituindo de agregados dispersos em uma matriz de cimento. A água ainda está presente, quer quimicamente ligado a estrutura sólida ou líquida livre. No seu estado fresco, concreto deve apresentar a dispersão bem equilibrada, que irá garantir bons níveis de homogeneidade, trabalhabilidade e compactabilidade, minimizando assim o risco de segregação (KANELLOPOULOS et al., 2012).
Para Angelin et al., (2015) manter tais características, sua homogeneidade depende, principalmente, da viscosidade plástica e da tensão de escoamento, determinadas pelo proporcionalmente da mistura, pelo tipo e teor do aditivo superplastificante, pelo teor de finos e pela distribuição granulométrica dos materiais. A viscosidade plástica está relacionada com a tensão de escoamento, que quando atinge valores muito pequenos ou próximos de zero faz com que o CAA apresente elevada fluidez.
18 Segundo Morteza (2014) o CAA pode ter um comportamento diferente em relação ao concreto convencional, e isso é devido ao uso comparativamente mais elevado de partículas finas, com a finalidade de evitar a segregação no concreto fresco, ocasionando a uma mudança na estrutura de poros, propriedades mecânicas e especialmente ocasionar fissuras no CAA.
Em comparação ao concreto convencional, nota-se que o comportamento da fissura do concreto apresentado como um material semi quebradiço é um aspecto importante que deve ser considerado na análise e concepção das estruturas. Além disso, a fissura do CAA tem efeito direto sobre a durabilidade das estruturas de concreto sendo uma das principais preocupações da construção (MORTEZA, 2014).
Estudos recentes indicaram que as misturas contendo pó de calcário no CAA, como um aditivo mineral, têm uma grande retração e consequentemente, maior tendência à fissuração, segundo Morteza (2014), Craeye et al., (2010).
No entanto sucessões de estudos relatam que a utilização de partículas extrafinas, tais como pedra calcária em pó faz com que a matriz CAA fique mais compacta e consequentemente, a Interface Zona de Transição (IZT) entre agregado e a pasta cimento apresenta-se aprimorada.
Para Morteza (2014) a melhora da Interface Zona de Transição (IZT) pode fazer com que o concreto fique mais frágil, devido ao aumento de fissuras e reduz o intertravamento. Os principais fatores a serem estudados são o comportamento de fissura do CAA, maior resistência e durabilidade e a qualidade de IZT. Por outro lado, as propriedades da IZT dependem fortemente das propriedades dos agregados, tais como o tamanho, o volume, forma, textura de superfície.
Comparada a outros materiais utilizados na engenharia, como aço, plásticos e cerâmicas, a microestrutura do concreto está em constante transformação, devido aos fatores externos: altas ou baixas temperaturas, presença de salinidade referente a águas marítimas entre outros.
3.1 ADIÇÕES MINERAIS
Com a finalidade de aumentar a coesão da mistura e assim evitar a segregação do agregado graúdo, eventualmente são utilizados aditivos modificadores de viscosidades e/ou adições minerais. As adições minerais no CAA devem ser escolhidas após uma análise técnica, onde realizam o apontamento das áreas superficiais maiores que a do componente que estão substituindo.
19 Além de responsáveis pela resistência à segregação da mistura, as adições minerais podem desempenhar um papel importante para a resistência e para a durabilidade do concreto, tanto física quanto quimicamente. Inúmeras pesquisas Barluenga et al., (2015), Silva et al., (2015), Lorini
et.al., (2015) foram realizadas para o apontamento dos efeitos da adição dos minerais sobre o
desempenho das propriedades do endurecido e sua microestrutura na zona de transição tais como: adição minerais ativos, cinzas volantes, filler de calcário, cinza de casca de arroz, microssílica, nanossílica e Metacaulim.
O efeito químico das adições minerais ocorre a partir da capacidade de reação com o hidróxido de cálcio – Ca (OH)2 – composto frágil e solúvel que se forma durante a hidratação do
cimento Portland. Do hidróxido de cálcio (Ca(OH)2) deriva o composto resistente o silicato de
cálcio hidratado, que ocupa os vazios de maiores dimensões existentes na pasta de cimento ou na zona de transição, aumentando o desempenho mecânico e a durabilidade do concreto e dependendo da superfície específica das partículas e da composição química das mesmas, essas reações pozolânicas podem ser lentas ou rápidas (TUTIKIAN et al., 2008).
Segundo a EFNARC (2005), as adições são classificadas de acordo com suas capacidades reativas com a água, conforme Tabela 4.
Tabela 4: Classificação das adições (EFNARC,2005).
Tipo I Inertes ou Semi-inertes
Fíleres de agregados (calcários, dolomíticos ou graníticos). Pigmentos
Tipo II Pozolânicos
Cinza volante, conforme a EN 450-1. Sílica ativa, conforme a EN 13263-1. Hidráulicos Escória de alto-forno.
Fonte: EFNARC, (2005).
3.2 ADITIVOS NO CONCRETO AUTO ADENSÁVEL
A AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS (ASTM) C 125 (2010) definem aditivo/adição (em inglês apenas “admixture” ou chemical and mineral admixture, respectivamente) como qualquer material que não seja água, agregados, cimentos hidráulicos ou fibras, usado como ingrediente do concreto ou argamassa e adicionado à massa imediatamente antes ou durante a mistura. Os aditivos variam muito na composição química, pois muitos desempenham mais de uma função, o que torna difícil sua classificação de acordo com suas funções, na Tabela 5 apresentam-se alguns tipos de aditivos.
Mehta&Monteiro (2014) relatam que algumas substâncias químicas agem no sistema cimento/água instantaneamente, influenciando na tensão superficial da água e adsorvendo na
20 superfície das partículas de cimento; outras se dissociam e afetam as reações químicas entre os compostos do cimento e a água.
Aditivos redutores de água, onde sais solúveis e polímeros agentes tensoativos e outros, são adicionados ao concreto em quantidades muito pequenas com finalidade de incorporar ar e com isso aumentar a resistência sem aumentar o consumo de água (MEHTA&MONTEIRO, 2014).
De acordo com a NBR 11768:1992 aditivos são produtos que adicionados em pequenas quantidades aos concretos com cimento Portland modificam algumas de suas propriedades, com o principal objetivo de melhorar determinadas condições de uso dos concretos.
Tabela 5: Tipos de aditivos para o concreto. ADITIVOS TIPO FUNÇÃO P Aditivo Plastificante R Aditivo Retardador A Aditivo Acelerador PR Plastificante Retardador PA Plastificante Acelerador IAR Aditivo Incorporador de Ar
SP Aditivo Superplastificante SPR Aditivo Superplastificante Retardador SPA Aditivo Superplastificante Acelerador
Fonte: NBR11768: 1992.
Gomes&Barros (2009) citam que o uso dos aditivos superplastificantes no CAA é inevitável, pois é responsável por uma das principais propriedades do CAA, a fluidez.
Segundo Gomes&Barros (2009) os aditivos superplastificantes também podem exercer outras funções ou mecanismos que auxiliam na fluidez da mistura, como a redução da tensão superficial da água; repulsão eletrostática entre as partículas; filme lubrificador entre as partículas de cimento; dispersão dos grãos de cimento; inibição da hidratação superficial do cimento; mudança da morfologia dos produtos da hidratação.
Pastas de cimento com baixa relação C3S/C2S e C3A/C4AF têm maior viscosidade quando a
adição do superplastificante é atrasada existindo uma relação entre a quantidade de superplastificante absorvido pelo cimento e a viscosidade; para um nível de adição de formaldeído e naftaleno sulfonado (SNF), a área superficial do cimento é diretamente proporcional à viscosidade (GOMES&BARROS, 2009).
A dosagem do concreto auto adensável adotada seguiu as recomendações proposta pelo grupo de pesquisa de Sustentabilidade da Faculdade de Tecnologia da UNICAMP, apresentado no Capítulo 5.
21
4
MICROESTRUTURA DO CONCRETO
4.1 HISTÓRICO DO ESTUDO DA MICROESTRUTURA NO CONCRETO
Com a exposição em Paris do famoso barco de “cimento armado” em 1855, deu-se início o uso do concreto na era moderna. Neste período, ocorreu uma constante evolução do material, da sua utilização e produção sempre embasada em muitas pesquisas.
No primeiro simpósio sobre o estudo de cimentos patrocinado em 1918 pela Faraday
Society, o clínquer de cimento Portland era considerado principalmente sob o ponto de vista da
composição de seus óxidos e às vezes de suas quantidades e em 1938 no segundo simpósio a pesquisa e a indústria haviam mudado a ideia que se fazia quanto à composição de óxidos e a relação entre os óxidos deu espaço às considerações feitas sobre as possíveis composições químicas que poderiam estar presentes no clínquer (PAULON&KIRCHHEIM, 2011).
Alguns estudos de análise térmica foram empregados para análise de problemas relacionados ao tempo de pega dos cimentos, o uso da difração de raios-x para a identificação das fases e estudos iniciais para explicar a interferência de adições minerais (pozolanas) e de agentes químicos (plastificantes, retardadores e aceleradores) no concreto fresco (PAULON&KIRCHHEIM, 2011).
Segundo Paulon&Kirchheim (2011) no terceiro simpósio, as pesquisas anteriores foram consideradas obsoletas, deram espaço a um uso maior de tecnologia com equipamentos como espectroscópico, fotométrico entre outros. Atualmente, os estudos nessa área vêm sendo feitos em tempo real, com análises no próprio local, na escala micro (10-6) e nanometrica (10-9), utilizando alta tecnologia, alta resolução temporal, muitas vezes com equipamentos clássicos modernos, e outras avançando no caminho do uso de equipamentos que utilizam fontes e raios-x ou ultravioleta intensa, como as de síncontron. Técnicas utilizadas em outras áreas de conhecimento, tais como biologia, física, química e medicina são adaptadas aos estudos de materiais cimentícios (PAULON&KIRCHHEIM, 2011).
Mehta&Monteiro (2014) relatam que durante vários anos foi considerado que os materiais de construção civil consistiam em materiais homogêneos. Ao se trabalhar em uma escala microscopia, contudo, pode-se perceber que eles são atualmente mais complexos e extremamente heterogêneos.
22 O progresso no campo dos materiais resultou principalmente no reconhecimento do princípio de que as propriedades têm origem na microestrutura interna, ou seja, as propriedades podem ser modificadas fazendo certas alterações na microestrutura de um material. Embora o concreto seja o material estrutural mais amplamente usado, sua microestrutura é heterogênea e altamente complexa. As relações microestrutura-propriedade do concreto não estão ainda completamente desenvolvidas; no entanto, certo conhecimento sobre os elementos essenciais da microestrutura é necessário antes de se discutir os fatores de influência nas propriedades importantes para a engenharia dos concretos, tais como: resistência e durabilidade (MEHTA&MONTEIRO, 2014).
4.2 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA
A microscopia eletrônica de varredura (MEV) é uma técnica influente para a caracterização do tamanho, forma e estrutura de nanopartículas, devido à sua capacidade de solucionar características de escala nanométrica. MEV tem sido utilizado com sucesso para localizar nanopartículas nas células e nos tecidos por meio da utilização de imagem de elétrons com retroespalhamento (BSE) para distinguir entre as nanopartículas inorgânicas e a estrutura orgânica (KEMPEN et al., 2015) e para imagens das superfícies de quase todos os materiais com uma resolução de até 1nm, (ZANG, 2009).
A determinação estrutural é essencial para a pesquisa dos nanomateriais. As nanoestruturas são geralmente muito pequenas para serem visualizadas com microscópios ópticos convencionais. É importante o uso de ferramentas apropriadas para caracterizar adequadamente sua estrutura e superfície com detalhes em níveis moleculares ou atômicos (ISAIA, 2005).
Isto é importante não só para a compreensão de suas propriedades fundamentais, mas também para explorar o seu desempenho técnico. A resolução da imagem oferecida por MEV depende não só da propriedade da onda de elétrons, mas da interação da onda de elétrons com a amostra, sendo a imagem gerada pela incidência de um feixe de elétrons na amostra, sob condições de vácuo (ISAIA, 2005).
Para Zang (2009) a interação de um feixe de elétrons incidente produz com a amostra elétrons secundários, com energias geralmente menores do que 50eV, a eficiência da emissão de sensibilidade depende da geometria da superfície e das características químicas da amostra analisada. O princípio da emissão do feixe de elétrons baseia-se no aquecimento de um filamento de
23 tungstênio que incide sobre amostra e emitem sinais elétricos como elétrons secundários, elétrons retroespalhados e fótons-x, entre outros. Os sinais, emitidos pela incidência de elétrons sobre a amostra, são captados por detectores apropriados, amplificados e convertidos em imagem (ISAIA, 2005). Neste caso, usada para verificação do grau de hidratação, da formação de microfissuras e da zona de transição. A alta resolução oferecida pelo MEV o torna conveniente para os nanomateriais em que as características estruturais em nanoescala são fundamentais para suas propriedades e funcionalidades de pesquisa (ZANG, 2009). A microscopia eletrônica de varredura associada à técnica de energia dispersiva de raios-x (MEV-EDS) permite a semi quantificação e qualificação os elementos presentes na amostra de concreto auto adensável. Na Figura 9apresenta-se equipamento MEV-EDS.
Segundo Costa et al., (2009) as imagens são formadas por um feixe de elétrons sendo este feixe, gerado na parte superior do microscópio descrevendo uma trajetória helicoidal por meio de campos de lentes eletromagnéticas onde é focado até incidir na superfície da amostra fazendo sua varredura. A interação deste feixe com o material conduz à ejecção de elétrons e à emissão de radiação eletromagnética que constituem os vários tipos de sinais detectáveis.
Na Figura 10, mostra o esquema da coluna do MEV, onde os elétrons são gerados a partir de um filamento de tungstênio em alto vácuo. O feixe interage com a região de incidência da amostra até uma profundidade conforme Figura 11 que pode variar de 1 µm a 6 µm, dependendo da natureza da amostra. Esta região é conhecida por volume de interação, o qual gera os sinais que são detectados e utilizados para a formação da imagem e para microanálise (ZANG, 2009). A corrente que passa pela bobina de varredura, sincronizada com as bobinas de reflexão de um tubo de raios catódicos, produz imagem similar, mas aumentada. Os elétrons emitidos atingem um coletor, e a
24 corrente resultante é amplificada e utilizada para modular o brilho do tubo de raios catódicos. (ISAIA, 2005).
Figura 10: Desenho esquemático da coluna do Microscópio Eletrônico de Varredura - MEV.
Figura 11: Volume de Interação da Amostra com Feixe de Elétrons.
Fonte: Instituto de Física _Laboratório de Filmes
Finos_Universidade São Paulo. Disponível em: <http://fap01.if.usp.br/~lff/mev.html>. Acesso em 05 de novembro de 2015.
Fonte: Instituto de Física _Laboratório de Filmes
Finos_Universidade São Paulo. Disponível em:
<http://fap01.if.usp.br/~lff/mev.html>. Acesso em 05 de novembro de 2015.
Os sinais emitidos encontram-se sob a forma de elétrons de tipo secundário, retroespalhados, absorvidos, transmitidos e difratados, e de fótons do tipo de fotoluminescentes e raios X, os quais são captados por detectores apropriados, amplificados e processados em um sistema analisador de cada tipo de sinal (ISAIA, 2005). Isaia (2005) enuncia cada processo de sinais, os elétrons secundários (SE - secondary electrons) são decorrentes de interações inelásticas e são tipicamente pouco energéticos sendo menores que 50eV, originam-se próximo a superfície da amostra, uteis na obtenção de informações topográficas, possibilitando a formação de imagens tridimensionais e a visualização de detalhes da microestrutura de poros e de fissuras entre as partículas.
O conjunto de técnicas como difração de raios-x (DRX), microscopia eletrônica de varredura com microanálise por sistema de dispersão de energia de raios-x (MEV-EDS), análise termogravimétrica (TGA) e análise térmica diferencial (ATD), análise química e cálculo mineralógico têm apresentado resultados satisfatórios nas investigações como mencionam Isaia (2005), Souza, V. et al., (2002), Nochaya et al., (2015). Para os minerais não condutores de corrente elétrica para ser analisada no MEV-EDS devem ser previamente metalizados.
A metalização consiste na precipitação, sob alto vácuo de uma película micrométrica de material condutor geralmente de ouro ou carbono sobre a superfície do mineral, possibilitando a condução da corrente elétrica. Na Figura 12, observa-se a imagem de MEV-EDS por elétrons retroespalhados do agregado reativo, onde os picos representam os elementos gerados por meio da análise do detector EDS no ponto pela seta, onde apresenta os picos dos elementos como silício (Si), sódio (Na), cálcio (Ca), Magnésio (Mg), alumínio (Al), Oxigênio (O).
