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IX CNG/2º CoGePLiP, Porto 2014 ISSN: 0873-948X; e-ISSN: 1647-581X
Caraterização petrográfica de agregados sedimentares e
metamórficos para betão
Petrographic characterization of sedimentary and metamorphic
aggregates for concrete
S. Leal1, I. Fernandes2*, M. A. Ribeiro2
© 2014 LNEG – Laboratório Nacional de Geologia e Energia IP
Resumo: A utilização das técnicas de petrografia no estudo do betão teve início no final do século XIX e tem vindo a ser desenvolvida desde então, tornando-se uma ferramenta imprescindível na avaliação da reatividade potencial dos agregados e no diagnóstico da deterioração do betão. As reações químicas de origem interna, de natureza expansiva, especialmente as reações álcalis-sílica, são reações que têm despertado interesse na investigação sobre betão. Os seus efeitos podem interferir irreversivelmente no desempenho estrutural de muitas obras de engenharia, levando por vezes à sua demolição, pela falta de segurança registada. As rochas sedimentares e metamórficas, embora não sejam a principal litologia utilizada em Portugal como agregado, são utilizadas amplamente em outros países, e pelas suas características mineralógicas, texturais e microestruturais são consideradas potencialmente reativas.
Palavras-chave: Betão, Agregados, Reações álcalis-sílica, Petrografia.
Abstract: The application of petrographic techniques to concrete started at the XIX century and it has been developed since then becoming an indispensable tool in the assessment of the potential reactivity of aggregates and in the detection of deterioration signs in concrete structures. The chemical reactions of internal origin, with expansive nature, particularly the alkali-silica reaction, are one the reactions which have aroused more interest in concrete research. Its effects can interfere irreversibly with the structural performance, leading sometimes to the demolition of the structure itself, in order to avoid major disasters. The sedimentary and metamorphic rocks are not the main lithology used in Portugal as aggregate, but they are used extensively in other countries, and due to their origin, textural and microstructural characteristics, are considered potentially reactive to alkalis.
Keywords: Concrete, Aggregates, Alkalis–silica reaction, Petrography.
1Centro de Geologia da Universidade do Porto, Porto, Portugal
2Departamento de Geociências, Ambiente e Ordenamento do Território, Faculdade de Ciências da Universidade do Porto e Centro de Geologia da Universidade do Porto, Porto, Portugal.
*Autor correspondente / Corresponding author: mifernandes@fc.ul.pt
1. Introdução
A degradação do betão por ações químicas é um fenómeno extremamente complexo, e é afetado pelo transporte de gases e líquidos, com ou sem substâncias em solução ou suspensão, envolvendo diversos parâmetros difíceis de individualizar e que atuam em diferentes graus de acordo
com a composição do betão (natureza e proporções dos diferentes constituintes) e as condições ambientais a que este está exposto (Braga Reis et al., 1996; Fernandes, 2005).
A reação álcalis-sílica (RAS) revela-se como o tipo de reação álcalis-agregado mais frequente. É uma reação química de natureza expansiva entre os hidróxidos alcalinos, presentes nas soluções intersticiais do betão, e formas de sílica reativa presentes nos agregados (Hobbs, 1988; Poole, 1992; ACI, 1998; St John et al., 1998; Fernandes, 2005). Este fenómeno apenas se desenvolve em condições de humidade e é atribuído à maior solubilidade das formas de sílica amorfa, desordenada ou fracamente cristalina em soluções de elevado pH, formando-se um gel que absorve a água e expande (Sims & Brown, 1998), podendo gerar tensões suficientemente elevadas para originar fissuração das partículas de agregado e do betão, causando assim danos à estrutura (West, 1996). A solubilidade das formas de sílica é condicionada pela pressão, temperatura, tamanho das partículas, pH e espécies dissolvidas na solução (Broekmans, 2004).
As formas de sílica identificadas como reativas têm uma malha cristalina defeituosa ou são vítreas ou amorfas, pelo que a opala, a calcedónia, a tridimite, a cristobalite e o jaspe são os polimorfos mais reativos aos álcalis, verificando-se que a reatividade aumenta com o decréscimo do grau de cristalinidade (St John et al., 1998). Outras formas reativas são o quartzo criptocristalino e microcristalino, quartzo deformado e recristalizado. Assim as rochas que contêm quartzo fortemente deformado, como grauvaques, filitos, xistos, gnaisses, filões de quartzo e arenitos são potencialmente reativas (LNEC E 415, 1993). São ainda consideradas potencialmente reativas as rochas vítreas ou criptocristalinas, como riólito, andesito, alguns vidros artificiais e também cherte, ardósia e alguns tipos de calcário siliciosos.
Provavelmente o primeiro estudo sobre a reatividade de agregados com quartzo deformado foi conduzido por Brown na década de 1950 (Brown, 1955). Nas décadas de 1960 e 1970 foram publicados trabalhos para tentar estabelecer uma correlação entre o valor do ângulo de
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extinção ondulante dos cristais de quartzo e o grau de deformação das malhas cristalinas (DeHills & Corvalán,1964; Gogte,1973). Segundo Grattan-Bellew (1992) os grãos de quartzo que apresentavam elevados ângulos de extinção ondulante estão normalmente associados à presença de quartzo microcristalino o qual mostra uma solubilidade significativamente aumentada devido a uma maior área específica. Shayan (1993) atribuiu a ocorrência de RAS à presença de quartzo microcristalino, afirmando que a reação ocorre nos limites dos grãos em zonas contendo quartzo finamente subgranulado e com maior superfície específica. Wigum (1995) propôs uma nova abordagem para quantificação da superfície específica média dos cristais de quartzo através da medição do tamanho destes cristais em rochas cataclásticas que permitia estimar a quantidade de quartzo
microcristalino presente na rocha. Segundo a
recomendação RILEM AAR-1 (2003) a extinção ondulante do quartzo sugere a presença de quartzo microcristalino e criptocristalino, mas a medição do ângulo de extinção ondulante não pode ser utilizada isoladamente para quantificar o grau de reatividade dos agregados. Mais recentemente Locati et al. (2010) estudaram algumas rochas metamórficas e concluiu que a redução do tamanho do grão, o desenvolvimento de subgrãos e a existência de cristais de quartzo deformados são características que tornam as rochas mais reativas aos álcalis, tendo estas observações sido comprovadas por ensaios químicos e de expansão.
No nosso país as características físicas e químicas de um agregado para betão devem estar em conformidade com as exigências da norma NP EN 12620:2002+A1 (2010). Quanto à RAS a análise petrográfica está contemplada na Especificação LNEC E 461 (2007) como o primeiro ensaio a efetuar para avaliação da qualidade de um agregado.
2. Materiais e métodos
No presente trabalho foram selecionados 39 agregados provenientes de rochas metamórficas e sedimentares de vários países (Tabela 1). A petrografia foi o método escolhido para a avaliação da reatividade potencial das rochas escolhidas. Esta análise consistiu na identificação nos agregados de espécies de sílica potencialmente reativas, tendo sido realizada com recurso às técnicas disponíveis para identificação e caracterização dos minerais, texturas e microestruturas das rochas nomeadamente.
• Microscópio ótico de polarização, de luz transmitida e refletida, modelo Nikon Eclipse E 400 POL, com máquina fotográfica incorporada, AXION cam MRC.
O programa utilizado para obtenção de
microfotografias foi o axion vision 3.1.
• Microscópio eletrónico de varrimento (MEV) modelo FEI QUANTA 400 FEG ESEM/EDAX PAGASUS X4M equipado com espectrómetro de dispersão de energia (EDS) que se encontra no Centro de Estudo de Materiais da Universidade do Porto (CEMUP). O microscópio eletrónico de varrimento foi utilizado nas rochas que possuem quartzo criptocristalino, dada a dificuldade da sua deteção ao microscópio petrográfico.
Este estudo foi realizado segundo as normas e recomendações: NP EN 932-3 (2010), BS 7943 (1999), RILEM AAR-1 (2003) e Especificação LNEC E 415 (1993).
3. Resultados
Destacam-se neste capítulo as características de reatividade comuns às rochas de cada litologia estudadas, embora provenientes de diferentes locais (Tabela 1). Nas rochas sedimentares de origem detrítica observadas a principal característica de reatividade presente é a existência de sílica criptocristalina dispersa na matriz ou constituindo parte do cimento, frequentemente associada a quartzo microcristalino. Observam-se ainda nestas rochas clastos de quartzo com extinção ondulante (Fig. 1-a) e fragmentos de rocha, como por exemplo quartzito (Fig. 1-b).
Em contrapartida as rochas sedimentares de origem química, tais como os calcários siliciosos e os chertes são rochas de elevada reatividade. Para além da sílica criptocristalina presente na matriz, por vezes são visíveis polimorfos de sílica (Fig. 1-c) como a calcedónia, e ainda componentes diagenéticos como quartzo microcristalino que substitui por vezes a calcite, em poros ou nos componentes aloquímicos.
No que respeita às rochas metamórficas a deformação e recristalização têm um papel preponderante na sua reatividade potencial, pois provocam mudanças estruturais importantes, tais como a redução do grão (quartzo microcristalino e criptocristalino), deformação dos cristais (estiramento e bordos suturados). Das rochas estudadas os cataclasitos e os milonitos são litologias com elevada reatividade, pois apresentam quartzo criptocristalino e microcristalino, assim como quartzo intensamente deformado/tectonizado (Fig. 1-d). Nos pseudotaquilitos observados também é possível encontrar quartzo com extinção ondulante, desenvolvimento de subgrãos, sílica criptocristalina e formação de vidro (Fig. 1–e).
Os quartzitos são potencialmente reativos, pois são maioritariamente constituídos por clastos que exibem forte extinção ondulante, lamelas de deformação, subgranulação e estiramentos dos cristais. Frequentemente, observa-se nestas rochas quartzo microcristalino (Fig. 1–f) e, mais raramente, criptocristalino.
Tabela 1. Principais características de reatividade de cada litologia estudada. Table 1. Main reactivity characteristics of each examined lithology.
Fig. 1. Imagens em luz polarizada (nicóis cruzados). a) Grão de quartzo monocristalino evidenciando extinção ondulante. b) Grauvaque com clasto de rocha metamórfica, quartzito impuro, com micas marcando a foliação e com quartzo microcristalino e criptocristalino. c) Fenómenos de silicificação. Na parte superior da imagem observa-se uma orla de calcedónia e na parte central existe um mosaico de cristais de quartzo de forma euédrica a preencher poros. d) Cataclasito com cristais de quartzo deformados e quartzo microcristalino e criptocristalino. e) Pseudotaquilito: Zona mais grosseira na parte superior da imagem e zona com granulometria mais fina com porfiroclastos de quartzo. Entre elas, ocorrência de sílica criptocristalina. f) Sílica criptocristalina a preencher espaços intergranulares num quartzito (ortoquartzito).
Fig. 1. Microphotographs in cross-polarized light. a) Grain of monocrystalline quartz showing undulatory extinction. b) Greywacke with clast of metamorphic rock, impure quartzite, with mica marking the foliation and microcrystalline and cryptocrystalline quartz. c) Occurrences of silicification. On top of the picture there is a fringe of chalcedony; in the center there is a mosaic of euhedral quartz crystals filling pores. d) Cataclasite with deformed quartz crystals and cryptocrystalline and microcrystalline quartz. e) Pseudotachylite: coarser zone on the top and finer grained zone with quartz porphyroclasts. Between these, the occurrence of cryptocrystalline silica. f) Cryptocrystalline silica filling intergranular spaces in quartzite (orthoquartzite).
d
e
f
b
50a
50 1004. Conclusões
O trabalho desenvolvido fez parte de um estudo mais amplo e multidisciplinar que integrou um projeto a nível mundial de estabelecimento de um atlas petrográfico de agregados reativos (Lorenzi et al., 2006).
A aplicação da petrografia e das técnicas de estudo das propriedades e qualidade dos agregados têm hoje uma elevada importância e aceitação perante a comunidade científica. Nesse intuito a definição dos ensaios laboratoriais que melhor refletem o comportamento em obra dos agregados para betão é de extrema importância, nomeadamente em termos da avaliação da sua potencialidade às RAS.
As características dos minerais, em particular dos minerais de sílica no referente às RAS, são afetadas pela
deformação sofrida pelas rochas, tornando-as
potencialmente reativas. A deformação manifesta-se nos cristais de quartzo pela extinção ondulante, lamelas de deformação, desenvolvimento de subgrãos, recristalização, diminuição do tamanho do grão, indentação dos bordos, sendo estas características as que são encontradas mais frequentemente nas rochas metamórficas e que se tem verificado estarem associadas à ocorrência de RAS em grandes estruturas de betão. Assim o contexto geológico fornece uma indiciação importante para a previsão da potencial reatividade das rochas (Lindgård et al., 2012).
A análise petrográfica de agregados permite a avaliação das características mineralógicas, texturais e estruturais que podem fornecer informações indispensáveis para o despiste das RAS, contribuindo para uma melhor seleção dos agregados para obras futuras e/ou mitigação dos estragos já causados.
O crescente número de ocorrências de estruturas afetadas pelas reações expansivas internas, nomeadamente em pontes e obras hidráulicas, torna pertinente o incentivo à busca de soluções que impeçam o seu surgimento. Nos casos em que, devido à inexistência de agregados inócuos seja necessário aplicar agregados potencialmente reativos, deve recorrer-se antecipadamente a medidas mitigadoras, tal como previsto por exemplo na Especificação LNEC E 461 (2007). Tal como sucede noutros países, está a ser desenvolvida uma cultura de prevenção que conduzirá à classificação sistemática das rochas portuguesas com vista à sua utilização como agregados, envolvendo especialistas das diferentes áreas de conhecimento.
Com o estudo dos principais tipos de rochas aplicados mundialmente como agregados para betão pretende-se contribuir para o estabelecimento de critérios a utilizar na análise petrográfica e, em particular, para a definição e implementação de novas normas internacionais para caracterização de agregados.
Agradecimentos
Este trabalho foi desenvolvido no âmbito da dissertação do mestrado em Geologia da Faculdade de Ciências da Universidade do Porto. Os autores expressam o seu
agradecimento à Fundação para a Ciência e Tecnologia
pelo financiamento do Projeto IMPROVE
(PTDC/ECM/115486/2009).
Referências
ACI, 1998. State-of-the-art report on alkali-aggregate reactivity. Reported by ACI Committee 221. American Concrete Institute, Michigan, 31 p.
Braga Reis, M.O., Silva, H.S., Santos Silva, A., 1996. Ocorrência de reações álcalis-inerte em Portugal. Estudos de casos. Encontro
Nacional Betão Estrutural, Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa, Portugal, 2.37-2.48.
Broekmans, M.A.T.M., 2004. Structural properties of quartz and their potential role for ASR. Materials Characterization, 53, 129-140.
Brown, L.S., 1955. Some observations on the mechanism of alkali-aggregate reactions. ASTM Bulletin, 205, 40-44.
BS 7943, 1999. Guide to the interpretation of petrographical
examinations for alkali-silica reactivity. British Standards
Institution, London. 15 p.
DeHills, S.M., Corvalán, J., 1964. Undulatory extinction in quartz grains of some Chilean granitic rocks of different ages. Geological
Society of America Bulletin, 75, 363-366.
Especificação LNEC E 415, 1993. Inertes para argamassas e betões –
Determinação da reatividade potencial com os álcalis. Análise petrográfica. Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa, 6 p.
Especificação LNEC E 461, 2007. Betões. Metodologias para
prevenir reações expansivas internas. Laboratório Nacional de
Engenharia Civil, Lisboa: 6 p.
Fernandes, I., 2005. Caracterização petrográfica, química e física de
agregados graníticos em betões. Estudo de casos de obra. Tese de
doutoramento, Universidade do Porto (não publicada), 334 p. Gogte, B.S., 1973. An evaluation of some common Indian rocks with
special reference to alkali-aggregate reactions. Engineering
Geology, 7, 135-153.
Grattan-Bellew, P.E., 1992. Microcrystalline quartz, undulatory extinction & the alkali-silica reaction. In: A.B, Poole, (Ed.).
Proceedings of the 9th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete, London, 383-394.
Hobbs, D.W., 1988. Alkali-silica reaction in concrete. Thomas Telford Ltd. London, UK: 183 p.
Lindgård, J., Rønning, T.F., Thomas, M.D.A., 2012. Development of an ASR performance test: preliminary results from PhD study. In: T. Drimalas, J.H. Ideker, B. Fournier (Eds). Proceedings of the
14th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction,
Austin, USA, 10 p.
Locati, F., Marfil, S.A., Baldo, E., 2010. Effect of ductile deformation of quartz-bearing rocks on the alkali-silica reaction.
Engineering Geology, 116, 117-128.
Lorenzi, G., Jensen, J., Wigum, B., Sibbick, R., Haugen, M., Guédon, S., Åkesson, U., 2006. Petrographic atlas of the
potentially alkali-reactive rocks in Europe. FP5 –
Partner-project-GRD1-CT-2001-40103. Geological Survey of Belgium Professional Paper 2006/1-Nº302, 63 p.
NP EN 932-3, 2010. Ensaios para determinação das propriedades
gerais dos agregados. Parte 3: Procedimento e terminologia para a descrição petrográfica simplificada. Norma Portuguesa,
Instituto Português da Qualidade, 14 p.
NP EN 12620:2002+A1, 2010. Agregados para betão. Instituto Português da Qualidade: 61 p.
Poole, A.B., 1992. Introduction to alkali-aggregate reaction in concrete. In: R.N. Swamy, (Ed.). The alkali-silica reaction in
RILEM AAR-1, 2003. Detection of potential alkali-reactivity aggregates. Petrographic method. Materials & Structures, 36, 480-496.
Shayan, A., 1993. Alkali reactivity of deformed granitic rocks: a case study. Cement and Concrete Research, 23, 1229-1236.
Sims, I., Brown, J.M., 1998. Concrete Aggregates. In: P. Hewlett, (Ed.). Lea’s chemistry of cement and concrete, 4th Ed., Arnold, London, UK, 903-1011.
St John, D.A., Poole, A.B., Sims, I., 1998. Concrete petrography – A
handbook of investigative techniques. Arnold, U.K, 474 p.
West, G., 1996. Alkali-aggregate reaction in concrete roads and
bridges. Thomas Telford Publications, London, 167 p.
Wigum, B.J., 1995. Alkali-aggregate reactions in concrete –
properties, classification and testing of Norwegian cataclastic rocks.
