UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo
TÚLLIO ALEXANDRE MUSTAFÉ DA CRUZ
ESTUDO DE ARGAMASSAS DE CAL HIDRATADA E
METACAULIM COM ADIÇÃO DE GESSO
CAMPINAS 2019
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TÚLLIO ALEXANDRE MUSTAFÉ DA CRUZ
ESTUDO DE ARGAMASSAS DE CAL HIDRATADA E
METACAULIM COM ADIÇÃO DE GESSO
Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Universidade Estadual de Campinas, como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil, na Área de Construção.
Orientadora: Profa. Dra. Gládis Camarini
ESTE TRABALHO CORRESPONDE A VERSÃO FINAL DA
DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO ALUNO TÚLLIO
ALEXANDRE MUSTAFÉ DA CRUZ, E ORIENTADO PELA PROFESSORA DRA. GLÁDIS CAMARINI.
CAMPINAS 2019
Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura
Luciana Pietrosanto Milla - CRB 8/8129
Cruz, Túllio Alexandre Mustafé da, 1985-
C889e Estudo de argamassas de cal hidratada e metacaulim com adição de gesso / Túllio Alexandre Mustafé da Cruz. – Campinas, SP : [s.n.], 2019.
Orientador: Gládis Camarini.
Dissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo.
1. Argamassa. 2. Cal. 3. Pozolanas. 4. Gesso. 5. Reciclagem. I. Camarini, Gládis, 1958-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de
Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Study of hydrated lime mortars and metakaolin with plaster
addition Palavras-chave em inglês: Mortar Lime Pozzolan Gypsum Recycling
Área de concentração: Construção Titulação: Mestre em Engenharia Civil Banca examinadora:
Gládis Camarini [Orientador] Antonio Ludovico Beraldo Miriam Gonçalves Miguel
Data de defesa: 28-08-2019
Programa de Pós-Graduação: Engenharia Civil
Identificação e informações acadêmicas do(a) aluno(a)
- ORCID do autor: https://orcid.org/0000-0003-0234-5558 - Currículo Lattes do autor: http://lattes.cnpq.br/0006760304010696
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E
URBANISMO
ESTUDO DE ARGAMASSAS DE CAL HIDRATADA E
METACAULIM COM ADIÇÃO DE GESSO
Túllio Alexandre Mustafé da Cruz
Dissertação de Mestrado aprovada pela Banca Examinadora, constituída por:
Profa. Dra. Gládis Camarini
Presidente e Orientadora/FEC-UNICAMP
Prof. Dr. Antonio Ludovico Beraldo
FT-UNICAMP
Profa. Dra. Miriam Gonçalves Miguel
FEC-UNICAMP
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no SIGA/Sistema de Fluxo de Dissertação/Tese e na Secretaria do Programa da Unidade.
Dedico este trabalho à minha esposa Liz, ao meu amado filho Dante, aos meus pais Nivaldo e Elizabete, à minha irmã Tamiris e à minha sobrinha Heloísa.
Agradecimentos
A Deus, por cada sopro de liberdade e de esperança.
À minha esposa Liz, pelo imenso companheirismo e compreensão em todos os longos períodos de estudo, obrigado por sempre acreditar em mim. À toda minha família, em especial aos meus pais Nivaldo e Elizabete, pelo incessante apoio principalmente durante tempos difíceis. Graças a vocês pude descobrir o dom do estudo.
Aos meus avós, pelo carinho com que sempre me acolheram. Ao vô Roque, que sempre me mostrou como a vida deve ser vivida.
À Professora Gládis, pela excepcional orientação e confiança em meio a esses anos de capacitação. Sua dedicação, persistência e paciência resultaram em um grande aprendizado. E também por me mostrar que mesmo após anos de estudos, ainda há muito que aprender.
Aos professores das disciplinas cursadas como aluno especial: Regina, Stellamaris, Flávio e Daniel. Obrigado pela aceitação e auxílio durante o processo de aprendizagem.
Ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Sul de Minas Gerais, campus Muzambinho, pelo apoio cedido em forma de afastamento integral para a capacitação.
Em memória ao mestre Marçal. Aos técnicos do LMC, Luciano, Marcelo, Ademir e André, obrigado pelo grande auxílio, ótima convivência e contribuição para o desenvolvimento dos ensaios.
Aos amigos do laboratório: João Henrique; Eliton; Maria Clara; Maria Emília; Rodrigo; Aline; Valdir; Silvete; Josana; Tatiane; Eduardo e Paulinho. Enfim, aos demais amigos que a vida carinhosamente me apresentou e que estiveram sempre prontos a me ajudar de alguma forma no período deste grande desafio.
Através da missão realizada pelo Programa Nacional de Cooperação Acadêmica (PROCAD), agradeço ao Professor Jardel e os amigos da UFBA: Ana Rita, Kuelson, Samille, Josinorma, Lucas, Jeferson e Raíldo. Obrigado pela excelente recepção e acolhimento.
Às empresas Metacaulim do Brasil e Ical, pelo fornecimento dos materiais utilizados nesta pesquisa.
RESUMO
As pesquisas que tratam do tema aglomerantes alternativos (AA) representam um desafio para o desenvolvimento de materiais amigáveis ao meio ambiente, já que a utilização desses materiais tende a contribuir para a diminuição do consumo de cimento Portland (CP), resultando em produtos compatíveis com as demandas do mercado da construção civil. É conhecido que argamassa binária de cal hidratada (CH) e de metacaulim (MK) resulta em um AA altamente versátil. Entretanto, a aplicação dessas argamassas possui inconvenientes como a elevada porosidade e o lento desenvolvimento das propriedades mecânicas. Com o intuito de melhorar essas propriedades, a adição do gesso pode contribuir para o aumento das resistências mecânicas iniciais, na diminuição da porosidade total e, por consequência, para o aumento da sua durabilidade. A presente pesquisa tem como objetivo avaliar as propriedades de argamassas ternárias de CH, MK e gesso (comercial ou reciclado). Foram propostas nove argamassas, divididas em três grupos (referência, com adição de GC e com adição de GR). A cura foi realizada em condições ambientes (25 ºC e umidade relativa do ar de 60%) e as argamassas foram ensaiadas em idades de até 90 dias. Os resultados encontrados comprovaram que as argamassas com adição de gesso apresentaram potencial para uma utilização promissora como AA, permitindo a reutilização de resíduos de gesso culminando em benefícios não somente para o produto final, mas também para o meio ambiente.
ABSTRACT
The research about alternative binders (AA) represents a challenge to develop environmentally friendly materials, because the use of these materials tends to contribute to a decrease in the consumption of Portland cement (CP), resulting in adequate products to civil construction market. The use of mortars with binary binders: hydrated lime (CH) and metakaolin (MK) result in a versatile AA. However, the application of these mortars has drawbacks such as high porosity and slow development of mechanical properties. In order to improve these properties, the gypsum plaster addition can contribute to the increase of the initial mechanical strengths, the decrease of the total porosity and, consequently, increasing their durability. The objective of this research was to evaluate the properties of ternary mortars made with CH, MK and gypsum plaster (commercial or recycled). Nine mortars were proposed, divided into three groups (reference, with addition of GC and with addition of GR). Curing was performed under ambient conditions (25 ºC and 60% relative humidity), and the mortars were tested at ages up to 90 days. The results showed that the mortars with the gypsum plaster addition had potential to be used as AA, allowing the gypsum plaster recycling, and resulting in environmental benefits.
LISTA DE FIGURAS
CAPÍTULO 2
Figura 2.1 – Processo utilizado para revisão bibliográfica ... 25
Figura 2.2 – Cales produzidas em temperaturas inadequadas ... 28
Figura 2.3 – MEV de uma argamassa de CH (a), MEV de uma argamassa de CH e MK (b). 37 Figura 2.4 –Reversibilidade das reações de transformação da gipsita em gesso ... 42
Figura 2.5 – Hemi-hidrato α (a), hemi-hidrato β (b). ... 44
Figura 2.6 – Hemi-hidrato após a hidratação (a), hemi-hidrato β após a hidratação (b). ... 44
CAPÍTULO 3 Figura 3.1 – Delineamento experimental da pesquisa ... 51
Figura 3.2 – Curva granulométrica acumulada da CH ... 53
Figura 3.3 – Curva granulométrica simples da CH ... 53
Figura 3.4 – DRX - Refinamento Rietveld – Fases da CH ... 55
Figura 3.5 – Termograma da CH ... 56
Figura 3.6 – Curva granulométrica acumulada do MK ... 57
Figura 3.7 – Curva granulométrica simples do MK ... 57
Figura 3.8 – DRX - Refinamento Rietveld – Fases do MK ... 59
Figura 3.9 – Termograma do MK ... 60
Figura 3.10 – Curva granulométrica acumulada do GC ... 61
Figura 3.11 – Curva granulométrica simples do GC ... 61
Figura 3.12 – DRX - Refinamento Rietveld – Fases do GC ... 62
Figura 3.13 – Termograma do GC... 63
Figura 3.14 – Programa experimental para obtenção do GR ... 64
Figura 3.15 – Placa (a), fragmentação (b), separação do resíduo (c) ... 65
Figura 3.16 – Calcinação do resíduo (a), secagem do resíduo (b)... 65
Figura 3.17 - Método Chevron utilizado para homogeneização ... 66
Figura 3.18 – Curva granulométrica acumulada do GR ... 67
Figura 3.19 – Curva granulométrica simples do GR ... 67
Figura 3.20 – DRX - Refinamento Rietveld – Fases do GR ... 68
Figura 3.21 – Termograma do GR... 69
Figura 3.23 – Argamassadeira utilizada (a), mistura mecânica das argamassas (b). ... 72
Figura 3.24 – Cura dos cps (a) e (b). ... 73
Figura 3.25 – Termopares (a), esquema do ensaio (b), Datalogger (c) ... 74
Figura 3.26 – Esquema do ensaio de RTF (a), ensaio (b), equipamento utilizado (c) ... 76
Figura 3.27 – Esquema do ensaio de RC (a), ensaio (b), equipamento utilizado (c) ... 76
Figura 3.28 – Parâmetros do ensaio de HB (a), Ensaio sendo realizado (b) ... 77
Figura 3.29 – Procedimento realizado para o ensaio de PAR ... 78
Figura 3.30 – Ilustração do Permeâmetro ... 78
Figura 3.31 – Mufla entre 50 ºC e 200 ºC (a), mufla entre 200 ºC e 500 ºC (b), mufla entre 650 ºC e 800 ºC (c) e mufla entre 800 ºC e 1000 ºC (d) ... 80
Figura 3.32 – Esquema do ensaio de absorção de água por capilaridade ... 82
CAPÍTULO 4 Figura 4.1 – Curva de elevação da temperatura da argamassa R1090 ... 86
Figura 4.2 – Curva de elevação da temperatura da argamassa R2080 ... 87
Figura 4.3 – Curva de elevação da temperatura da argamassa R3070 ... 87
Figura 4.4 – Curva de elevação da temperatura da argamassa GC1090 ... 88
Figura 4.5 – Curva de elevação da temperatura da argamassa GC2080 ... 89
Figura 4.6 – Curva de elevação da temperatura da argamassa GC3070 ... 90
Figura 4.7 – Curva de elevação da temperatura da argamassa GR1090 ... 91
Figura 4.8 – Curva de elevação da temperatura da argamassa GR2080 ... 91
Figura 4.9 – Curva de elevação da temperatura da argamassa GR3070 ... 92
Figura 4.10 – Índice de consistência ... 93
Figura 4.11 – Aparência da argamassa R1090 (a); aparência da argamassa R2080 (b); aparência da argamassa R3070 (c) ... 95
Figura 4.12 – Aparência da argamassa GC1090 (a); aparência da argamassa GC2080 (b); aparência da argamassa GC3070 (c) ... 95
Figura 4.13 – Aparência da argamassa GR1090 (a); aparência da argamassa GR2080 (b); aparência da argamassa GR3070 (c) ... 96
Figura 4.14 – Resultados da RTF das argamassas de referência ... 96
Figura 4.15 – Resultados da RTF das argamassas com adição de GC ... 97
Figura 4.16 – Resultados da RTF das argamassas com adição de GR ... 97
Figura 4.18 – Resutados da RC das argamassas com adição de GC ... 101
Figura 4.19 – Resultados da RC das argamassas com adição de GR ... 101
Figura 4.20 – Resultados da HB das argamassas de referência ... 103
Figura 4.21 – Resultados da HB das argamassas com adição de GC... 104
Figura 4.22 – Resultados da HB das argamassas com adição de GR... 104
Figura 4.23 – Resultados da PAR aos 30 dias ... 105
Figura 4.24 – Resultados da PAR aos 60 dias ... 105
Figura 4.25 – Resultados da PAR aos 90 dias ... 106
Figura 4.26 – PRMs das argamassas com 30 dias ... 107
Figura 4.27 – PRMs das argamassas com 60 dias ... 108
Figura 4.28 – PRMs das argamassas com 90 dias ... 108
Figura 4.29 – Resultados do ensaio de RTF (temperatura ambiente) ... 109
Figura 4.30 – Resultados do ensaio de RC (temperatura ambiente) ... 110
Figura 4.31 – Resultados do ensaio de RTF (após ação da temperatura) ... 110
Figura 4.32 – Resultados do ensaio de RC (após ação da temperatura)... 110
Figura 4.33 – Resultados da VM das argamassas ... 113
Figura 4.34 – Resultados da VL das argamassas ... 116
Figura 4.35 – Resultados da ACAP realizada aos 30, 60 e 90 dias. ... 119
Figura 4.36 – DRX - Refinamento Rietveld – Pasta R3070 ... 125
Figura 4.37 – DRX - Refinamento Rietveld – Pasta GC3070 ... 126
Figura 4.38 – DRX - Refinamento Rietveld – Pasta GR3070 ... 127
Figura 4.39 – DRX - Refinamento Rietveld – Comparativo entre as pastas ... 128
Figura 4.40 – MEV argamassa R3070 – 10µm (a), MEV argamassa R3070 – 5µm (b) ... 131
Figura 4.41 – MEV argamassa GC3070 – 20µm (a), MEV argamassa GC3070 – 10µm (b) 132 Figura 4.42 – MEV argamassa GR3070 – 20µm (a), MEV argamassa GR3070 – 10µm (b) 132 Figura 4.43 – Atividade pozolânica – Estruturas em forma de mosaico (GR3070) ... 132
LISTA DE QUADROS
CAPÍTULO 2
Quadro 2.1 – Resumo dos artigos e pesquisas selecionados na revisão bibliográfica ... 26
Quadro 2.2 – Requisitos químicos da CH ... 29
Quadro 2.3 – Requisitos físicos da CH... 30
Quadro 2.4 – Propriedades físicas, NBRs relacionadas e comportamento da CH ... 30
Quadro 2.5 – Vantagens envolvendo a utilização da CH ... 31
Quadro 2.6 – Classificação das pozolanas ... 32
Quadro 2.7 – Exigências químicas para pozolanas ... 33
Quadro 2.8 – Exigências físicas para pozolanas... 33
Quadro 2.9 – Publicações envolvendo o uso de cal e pozolanas ... 34
Quadro 2.10 – Principais misturas e traços realizados em compostos de CH e MK ... 38
Quadro 2.11 – Composição química do gesso ... 46
Quadro 2.12 – Produtos formados pela calcinação da gipsita natural ... 46
Quadro 2.13 – Exigências físicas para os gessos ... 46
Quadro 2.14 – Exigências químicas para os gessos ... 47
Quadro 2.15 – Resumo de publicações com cal, pozolanas e gesso ... 47
Quadro 2.16 – Principais misturas e traços realizados em compostos de CH, MK e gesso ... 47
CAPÍTULO 3 Quadro 3.1 – Propriedades físicas da CH ... 52
Quadro 3.2 – Distribuição do tamanho de partículas da CH ... 52
Quadro 3.3 – Espectroscopia por fluorescência de raios-X da CH ... 54
Quadro 3.4 – Fases cristalinas da CH – Pós refinamento Rietveld ... 54
Quadro 3.5 – Determinação da retenção de água da CH ... 55
Quadro 3.6 – Variações de massa da CH – AT ... 56
Quadro 3.7 – Propriedades físicas do MK ... 57
Quadro 3.8 – Distribuição do tamanho de partículas do MK ... 57
Quadro 3.9 – Espectroscopia por fluorescência de raios-X do MK ... 58
Quadro 3.10 – Fases cristalinas do MK – Pós refinamento Rietveld ... 59
Quadro 3.11 – Variações de massa do MK – AT ... 59
Quadro 3.13 – Distribuição do tamanho de partículas do GC ... 61
Quadro 3.14 – Espectroscopia por fluorescência de raios-X do GC ... 62
Quadro 3.15 – Fases cristalinas do GC – Pós refinamento Rietveld ... 62
Quadro 3.16 – Variações de massa do GC – AT... 63
Quadro 3.17 – Propriedades físicas do GR ... 66
Quadro 3.18 – Distribuição do tamanho de partículas do GR ... 67
Quadro 3.19 – Espectroscopia por fluorescência de raios-X do GR ... 68
Quadro 3.20 – Fases cristalinas do GR – Pós refinamento Rietveld ... 68
Quadro 3.21 – Variações de massa do GR – AT... 69
Quadro 3.22 – Propriedades físicas da areia... 70
Quadro 3.23 – Composição granulométrica da areia ... 70
Quadro 3.24 – Misturas experimentais ... 71
Quadro 3.25 – Resumo das variáveis e fatores avaliados na análise estatística ... 84
CAPÍTULO 4 Quadro 4.1 – Elevação da temperatura nas argamassas de referência ... 86
Quadro 4.2 – Elevação da temperatura nas argamassas com adição de GC ... 88
Quadro 4.3 – Elevação da temperatura nas argamassas com adição de GR ... 90
Quadro 4.4 – Resistências residuais após ação da temperatura (RTF e RC) ... 111
Quadro 4.5 – Aparência das argamassas à temperatura ambiente ... 111
Quadro 4.6 – Aparência das argamassas aos 30 dias (após a ação da temperatura). ... 112
Quadro 4.7 – Aparência das argamassas aos 60 dias (após ação da temperatura). ... 112
Quadro 4.8 – Aparência das argamassas aos 90 dias (após ação da temperatura). ... 113
Quadro 4.9 – Análise do comportamento das argamassas no ensaio de VL ... 117
Quadro 4.10 – Comparativo entre os tempos finais da análise da ACAP, aos 30, 60 e 90 dias120 Quadro 4.11 – Aparência das argamassas após o ensaio de ACAP aos 30 dias ... 120
Quadro 4.12 – Aparência das argamassas após o ensaio de ACAP aos 60 dias ... 121
Quadro 4.13 – Aparência das argamassas após o ensaio de ACAP aos 90 dias ... 121
Quadro 4.14 – Resultados da análise química por FRX das pastas ... 124
Quadro 4.15 – Fases cristalinas da pasta R3070 – Pós refinamento Rietveld ... 125
Quadro 4.16 – Fases cristalinas da pasta GC3070 – Pós refinamento Rietveld ... 126
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AA – Aglomerantes alternativos CP – Cimento Portland
CH – Cal hidratada
RTF – Resistência à tração na flexão
RC – Resistência à compressão
MK – Metacaulim
CCA – Cinza de casca de arroz CV – Cinza volante
GC – Gesso comercial GR – Gesso reciclado
FRX – Espectroscopia por fluorescência de raios-X DRX – Difração por raios-X
AT – Análise térmica
MEV – Microscopia eletrônica de varredura PRNS – Política nacional de resíduos sólidos SBU – Sistema de bibliotecas da UNICAMP CNH – Cal hidráulica natural
AN – Anidrita / Gesso anidro
UFBA – Universidade Federal da Bahia HB – Dureza superficial – Método Brinell
RF – Resistência ao fogo
PAR – Permeabilidade ao ar
VM – Variação de massa
VL – Variação linear
PRMs – Perdas relativas de massa ACAP – Absorção por capilaridade
LabCat – Laboratório de catálise LabMulti – Laboratório multiusuário
IFET – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 18 1.1. Objetivos da pesquisa ... 20 1.2. Justificativas ... 21 1.3. Hipótese de trabalho ... 22 1.4. Contribuição tecnológica ... 23 1.5. Estrutura da pesquisa ... 23
2. CAL, POZOLANAS E GESSO ... 25
2.1. Cal (CH) ... 27
2.2. Cal e pozolanas ... 32
2.3. Cal, pozolanas e gesso ... 41
3. MATERIAIS E MÉTODOS ... 51 3.1. Materiais ... 51 3.1.1. Cal hidratada ... 52 3.1.2. Metacaulim ... 56 3.1.3. Gesso comercial (GC) ... 60 3.1.4. Processo de reciclagem ... 63 3.1.5. Obtenção do resíduo ... 64 3.1.6. Moagem ... 65 3.1.7. Calcinação do resíduo ... 65 3.1.8. Peneiramento ... 66 3.1.9. Homogeneização e armazenagem ... 66 3.1.10. Gesso reciclado (GR) ... 66 3.1.11. Areia ... 69 3.1.12. Aditivo plastificante ... 71 3.1.13. Água ... 71 3.2. Misturas experimentais ... 71 3.2.1. Moldagem... 72 3.2.2. Cura ... 73
3.3. Argamassas: Ensaios no estado fresco ... 73
3.3.1. Cinética da temperatura (CT) ... 73
3.4. Argamassas: Ensaios no estado endurecido ... 75
3.4.1. Resistência à tração na flexão (RTF) ... 75
3.4.2. Resistência à compressão axial (RC) ... 76
3.4.3. Dureza superficial – Método Brinell (HB)... 77
3.4.4. Permeabilidade ao ar (PAR) ... 78
3.4.5. Resistência ao fogo (RF) ... 79
3.4.6. Variação de massa (VM) ... 81
3.4.7. Variação linear (VL) ... 81
3.4.8. Absorção de água por capilaridade (ACAP) ... 82
3.5. Pastas: Ensaios no estado endurecido ... 83
3.5.1. Espectroscopia por fluorescência de raios-X (FRX) ... 83
3.5.2. Difração por raios-X (DRX) ... 83
3.5.3. Microscopia eletrônica por varredura (MEV) ... 83
3.6. Tratamento estatístico ... 84
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 85
4.1. Argamassas: Resultados dos ensaios no estado fresco ... 85
4.1.1. Cinética da temperatura (CT) ... 85
4.1.2. Consistência (CFT) ... 92
4.2. Argamassas: Resultados dos ensaios no estado endurecido ... 96
4.2.1. Resistência à tração na flexão (RTF) ... 96
4.2.2. Resistência à compressão axial (Rc) ... 100
4.2.3. Dureza superficial – Método Brinell (HB)... 103
4.2.4. Permeabilidade ao ar (PAR) ... 105
4.2.5. Resistência ao fogo (RF) ... 107
4.2.6. Variação de massa (VM) ... 113
4.2.7. Variação linear (VL) ... 116
4.2.8. Absorção de água por capilaridade (ACAP) ... 119
4.3. Pastas: Resultados dos ensaios no estado endurecido ... 123
4.3.1. Espectroscopia por fluorescência de raios-X (FRX) ... 123
4.3.2. Difração por raios-X (DRX) ... 124
4.3.3. Microscopia eletrônica de varredura (MEV) ... 131
4.4. Síntese dos resultados ... 133
REFERÊNCIAS ... 140
APÊNDICES ... 155
A. Cal hidratada (CH)... 156
A.1. Massa unitária (Mu) ... 157
A.2. Módulo de finura (MF)... 157
A.3. Retenção de água ... 158
B. Metacaulim (MK) ... 160 B.1. Massa unitária (Mu) ... 161 B.2. Massa específica (ƿ) ... 161 C. Gessos (GC e GR) ... 163 C.1. Massa unitária (Mu) ... 164 C.2. Massa específica (ƿ) ... 165 C.3. Módulo de finura (MF) ... 165 D. Areia ... 166 D.1. Módulo de Finura (MF) ... 167
D.2. Diâmetro Máximo Característico (ⱷmáx) ... 167
D.3. Massa Específica (ƿ) ... 167 D.4. Granulometria ... 168 E. Análise estatística - RTF ... 169 F. Análise estatística – RC ... 178 G. Análise estatística - HB ... 188 H. Análise estatística - PAR ... 193 I. Análise estatística - RF ... 196 J. Análise estatística – VM ... 204 K. Análise estatística - VL ... 213
1. INTRODUÇÃO
A busca por aglomerantes alternativos (AA) visa minimizar o uso do cimento Portland (CP), cuja produção é responsável pela emissão de 5% do total global de dióxido de carbono (CO2) liberado para a atmosfera (NURUDDIN et al., 2010). Damtoft et al. (2008), por
sua vez, determinaram que para cada tonelada produzida de CP são gerados 800 kg de CO2.
Esses dados são preocupantes, uma vez que as políticas mundiais de controle do efeito estufa apoiam o desenvolvimento de compostos mais sustentáveis, seja pela produção limpa, pela elevada durabilidade ou pela capacidade de renovação das fontes de matéria-prima utilizadas na sua produção.
Os AA podem ser aplicados de diversas formas, tais como: pastas, grautes, argamassas de revestimento, blocos para alvenaria, divisórias e elementos de proteção contra incêndio. Morsy et al. (2012) avaliaram que a aplicação dos AA tende, em caráter primário, a auxiliar na diminuição e na cultura de aplicação de compostos baseados em CP, seguido pelo desenvolvimento de produtos mais duráveis e adaptados ao mercado da construção civil.
Dentre as vantagens da substituição e emprego dos AA, destacam-se: aumento da resistência mecânica, melhora na durabilidade, redução de custos, menor consumo energético na produção, maior equilíbrio ecológico, manutenção dos recursos naturais e diminuição do efeito estufa (SABIR et al., 2001; SCHINDLER e FOLLIARD, 2003; SCHNEIDER et al., 2011). As vantagens e as desvantagens na aplicação dos AA dependem de alguns fatores, tais como: traços, volumes de substituição nas misturas, tipos de cura e principalmente das características de combinação entre os diferentes aglomerantes, agregados e aditivos.
Cachim et al. (2014) avaliaram o uso dos AA em misturas binárias, constituídas pelo uso de dois aglomerantes, e também ternárias, quando há utilização de três ou mais aglomerantes distintos. Essas misturas foram caracterizadas pela sua composição rica em aluminatos e silicatos de cálcio, sendo capazes de endurecer e formar compostos estáveis sobre certas condições que, por sua vez, são associados ao tipo de aglomerante empregado.
O uso de argamassas de cal hidratada (CH) é conhecido desde a antiguidade, sendo considerada um aglomerante mais sustentável que o CP, devido à menor emissão de CO2 e à
vista ambiental, é a absorção do CO2 para a ocorrência da reação de carbonatação, necessária
para o seu endurecimento (VELOSA e VEIGA, 2007).
Por outro lado, a utilização da CH em pastas ou argamassas de revestimento, apresentam alguns inconvenientes, tais como: baixas resistências mecânicas, alta retração, ganho lento de resistência mecânica nas primeiras idades, baixa resistência contra a ação das intempéries e pouca durabilidade (ALMEIDA et al., 2007).
Os problemas na aplicação de argamassas de CH motivaram a pesquisa de Andrejkovicová et al. (2015), comprovando que a incorporação de pozolanas às misturas de CH, tende a resultar em uma maior durabilidade em idades avançadas e obtenção de resistências mecânicas mais elevadas (RTF e RC).
As pozolanas são substâncias caracterizadas pelo alto teor de sílica (SiO2) e de
alumina (Al2O3), conhecidas pela incapacidade de se hidratar isoladamente, ou seja, não
apresentam atividade aglomerante na presença de água (H2O). No entanto, quando pulverizadas
na presença de hidróxido de cálcio (Ca(OH)2) conseguem reagir formando novos compostos
cristalinos estáveis como o C-S-H (silicato de cálcio hidratado) e o C-A-H (aluminato de cálcio hidratado), ambos com propriedades hidráulicas consideráveis (PAIVA et al., 2007).
O metacaulim (MK) é um material pozolânico conhecido pela sua alta reatividade, sendo oriundo do tratamento térmico de argilas ricas em silicatos. A produção é realizada a partir da desidroxilização das argilas cauliníticas, sob temperaturas entre 800 ºC e 1000 ºC, inferiores às da produção do CP (~1450 ºC) (GRILO et al., 2014). Muitos autores defendem o uso do MK, principalmente por ser uma adição que auxilia no desenvolvimento das reações de hidratação de argamassas com CH (SILVA et al., 2014).
Velosa et al. (2009) e Aggelakopoulou et al. (2011) concluíram que argamassas de CH e MK tendem a desenvolver produtos mais compatíveis com os substratos das edificações, apresentando vantagens como: maior plasticidade, menor risco de fissuração e capacidade de endurecimento mesmo em presença de água. Segundo Moropolou et al. (2005a), tais argamassas apresentaram melhor eficiência sob estresse ambiental e mecânico, sendo superiores às argamassas convencionais compostas de CP. O MK é reconhecido pela sua alta reatividade, devendo ser mais explorado principalmente quanto ao seu desempenho, durabilidade e resistência às intempéries (VEIGA et al., 2010; BALL et al., 2012).
Em se tratando de misturas ternárias, outro material que pode ser utilizado como AA é o gesso. Derivado da desidratação térmica da gipsita, o gesso é caracterizado por
apresentar vantagens tais como a baixa necessidade de energia para produção, a não emissão de CO2 para a atmosfera e a capacidade de ser reciclado mais de uma vez (GERALDO et al.,
2017). Entre as desvantagens estão a solubilidade parcial da sua forma hidratada em presença de água e a baixa resistência mecânica, principalmente em meios sujeitos a intempéries ou à ação prolongada da água (PINHEIRO, 2011).
A adição do gesso em misturas binárias ou ternárias de CH e MK é pouco explorada, principalmente pela falta de dados relativos às características dessas misturas. Os estudos de Morsy et al. (2012, 2017) merecem destaque, sendo pioneiros na utilização de misturas contendo anidrita como adição em pastas e argamassas com pozolanas como o MK, cinza de casca de arroz (CCA) e cinzas volantes (CV). Os autores concluíram que a adição da anidrita em argamassas ou em pastas pozolânicas resultou em compostos cristalinos estáveis, similares àqueles formados pela hidratação do cimento Portland (CP).
Torna-se importante salientar que as condições de cura são fatores-chave para a determinação das características de argamassas ternárias de CH, MK e gesso. Diferentes condições influenciam na velocidade das reações químicas, podendo direcionar as misturas a distintas configurações no estado endurecido.
Nas principais pesquisas onde foram utilizaram misturas binárias ou ternárias, compostas de CH, pozolanas e/ou gesso, foram caracterizados os comportamentos quanto à durabilidade, resistência mecânica, porosidade, absorção de água por capilaridade, resistência ao fogo, microestrutura e influência de diferentes condições de cura (VEIGA et al., 2009; CACHIM et al., 2010; VEJMELKOVÁ et al., 2012; GRILO et al., 2013; BORGES et al., 2014).
A presente pesquisa pretende caracterizar o comportamento de argamassas binárias de CH e MK e argamassas ternárias de CH, MK com adição de gesso comercial (GC) ou de gesso reciclado (GR). A motivação principal é a de determinar a influência da adição do gesso e sua relação com a atividade pozolânica resultante da reação do MK com a CH.
1.1. Objetivos da pesquisa
Considerando a necessidade de se avaliar a influência da adição de gesso em argamassas de CH e MK, esta pesquisa teve como objetivos:
a) Objetivo geral
Avaliar o comportamento de argamassas binárias e ternárias, contendo CH e MK (referência) com adição de diferentes tipos de gesso (GC ou GR).
b) Objetivos específicos
Os objetivos específicos, necessários para alcançar o objetivo geral, foram:
(i) Caracterizar os materiais em pó quanto às propriedades físico-químicas, espectroscopia por fluorescência de raios-X (FRX), difração de raios-X (DRX) e análise térmica (AT);
(ii) Investigar as propriedades das argamassas no estado fresco, por meio dos ensaios de consistência e de cinética da temperatura;
(iii) Investigar as propriedades das argamassas no estado endurecido, quanto aos ensaios de resistência mecânica (tração na flexão, compressão axial e dureza superficial), absorção de água por capilaridade, permeabilidade ao ar, resistência ao fogo, variação linear e variação de massa;
(iv) Investigar as propriedades das pastas, por meio dos ensaios de espectroscopia por fluorescência de raios-X (FRX), difração de raios-X (DRX) e microscopia eletrônica por varredura (MEV);
(v) Comparar o comportamento e desempenho das argamassas de CH e MK (referência) com as argamassas ternárias com adição de GC ou GR;
(vi) Verificar a durabilidade e desempenho das argamassas em idades avançadas (90 dias); (vii) Verificar a influência da adição do gesso (GC ou GR) no desenvolvimento das
propriedades frescas e endurecidas de argamassas referência (CH+MK).
1.2. Justificativas
No cenário atual, a busca por AA que atenda às políticas de preservação do meio ambiente, tem sido o enfoque de um novo contexto para a aplicação de compostos alternativos ao uso do CP. Tais materiais são caracterizados pela produção limpa e menos agressiva, menor consumo energético, maior durabilidade e resistência mecânica mais elevada com o avanço da
idade, além da possibilidade de sofrerem ciclos de reciclagem e reutilização de aglomerantes como o gesso.
O reaproveitamento dos resíduos de gesso se apresenta como fator essencial para a solução de parte dos problemas ambientais, resultando na redução dos impactos negativos provocados pela disposição final incorreta ou de maneira descontrolada. Prevista em seu artigo 9º, a Política Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS), Lei Federal nº 12.305 de 2010, decreto 7404/2010, determina “não geração, redução, reutilização, reciclagem, tratamento dos resíduos sólidos e disposição final ambientalmente adequada dos rejeitos”. É nesse contexto que a reciclagem dos resíduos de gesso pode contribuir de forma direta na produção de compostos cada vez menos nocivos ao meio ambiente, culminando com a queda na utilização do CP.
O reaproveitamento de resíduos de gesso também vem contribuir com os requisitos da Política Nacional sobre Mudança do Clima, proposta pela Lei Federal n° 12.187 de 2009, decreto 7390/2010, que visa à redução entre 36,1% a 38,9% dos gases que contribuem para o efeito estufa, programado até o ano de 2020 (BRASIL, 2009). Neste sentido, pesquisas com aglomerantes que visam à diminuição na liberação desses gases são princípios para geração de novos materiais ligados ao conceito de compostos amigáveis ao meio ambiente.
O reaproveitamento também vem contribuir para a não contaminação, agressão ou poluição, culminando numa maior vida útil dos aterros sanitários (vantagens econômicas e ambientais). A disposição incorreta dos resíduos de gesso em aterros sanitários, ocasiona uma maior acidez do solo, uma vez que sua decomposição gera anidro sulfúrico (H2SO4), que é um
composto extremamente prejudicial ao meio ambiente.
É válido ressaltar que algumas pesquisas já demonstraram o sucesso na adição de gesso em argamassas compostas por MK e CH, resultando em compostos com fases cristalinas estáveis, similares aos produtos formados na hidratação do CP (MORSY et al., 2012; VIMMROVÁ et al., 2014; TYDLITAT et al., 2015; DOLEŽELOVÁ et al., 2016; MORSY et
al., 2017). Entretanto, a adição do GR em argamassas pozolânicas é um campo ainda pouco
explorado pelas pesquisas que trabalham com AA, justificando-se a sua escolha para a atual pesquisa.
1.3. Hipótese de trabalho
Se o emprego dos AA tende a minimizar a produção e o consumo do CP; se a adição de gesso tende a melhorar o desempenho dessas argamassas; e se a destinação incorreta dos
resíduos de gesso deve ser combatida, então a adição de gesso (GC ou GR) em argamassas de CH e MK pode resultar em compostos duráveis e ambientalmente corretos.
1.4. Contribuição tecnológica
A presente pesquisa tem por intenção contribuir para o desenvolvimento e caracterização de materiais com menor impacto ambiental, além de especificar os requisitos técnicos necessários para uma utilização promissora dos AA.
Também visa contribuir para uma melhor destinação dos resíduos de gesso, proporcionando um uso compatível com os padrões da Política Nacional de Resíduos Sólidos, por meio da reciclagem responsável desse material.
Por fim, a pesquisa permitirá uma melhor compreensão das características de argamassas binárias de CH e MK e argamassas ternárias de CH, MK e GC e/ou GR, com materiais produzidos nacionalmente. Ressalta-se que a cura da presente pesquisa foi realizada em processo sob condições ambientes, visando assim a economia de energia, além de facilitar a aplicação dos compostos em níveis técnicos e práticos.
1.5. Estrutura da pesquisa
Esse trabalho está dividido em cinco capítulos, nos quais:
O capítulo 1, Introdução, apresenta de uma maneira geral o enfoque do trabalho, explorando o seu contexto, os objetivos, as justificativas, a hipótese e a contribuição tecnológica pretendida.
O capítulo 2, Cal, Pozolanas e Gesso, apresenta a revisão da literatura, contendo os procedimentos de busca nas bases de dados. Além disso, expõe o contexto para definição das principais pesquisas no tema, iniciando-se pelas argamassas primárias de cal, seguidas pelas binárias de cal e pozolanas, e termina com argamassas ternárias de cal, pozolanas e gesso.
O capítulo 3, Materiais e Métodos, descreve os materiais, os métodos de ensaio e os equipamentos empregados na presente pesquisa.
O capítulo 4, Resultados e Discussão, apresenta os resultados obtidos na pesquisa experimental, além de suas respectivas conexões com a revisão da literatura sobre o tema apresentado.
O capítulo 5, Conclusões, encerra a dissertação e evidencia os principais resultados advindos desta pesquisa experimental.
2. CAL, POZOLANAS E GESSO
Para a revisão da literatura foi realizada uma busca nas bases de dados, sendo evidenciadas as principais lacunas existentes no tema da pesquisa. Nesta revisão foi adotado o processo apresentado na Figura 2.1.
Figura 2.1 – Processo utilizado para revisão bibliográfica
Fonte: Autor.
As etapas do processo estão descritas a seguir.
1. Identificação das palavras-chave - Foram definidos os conjuntos de palavras-chave para guiar a busca por artigos relacionados ao tema. As palavras-chave, foram definidas após simulações realizadas nas bases de dados segundo os seguintes conjuntos:
Conjunto A – Cal e Gesso e Pozolana;
Conjunto B - Lime and Gypsum and Pozzolan; Conjunto C – Cal e Pozolana;
Conjunto D - Lime and Pozzolan.
2. Identificação das bases de dados - Para a determinação das bases de dados foi realizada uma consulta no acervo da biblioteca da UNICAMP, sendo selecionadas as principais bases da área das engenharias. Entre as bases existentes, foram selecionadas para a revisão bibliográfica: Compendex, Scielo, Web of Science, Scopus, Sistemas de Bibliotecas da UNICAMP (SBU) e Google Acadêmico. O intervalo de pesquisas compreendeu o período de 2011 a 2018.
3. Identificação dos primeiros resultados - Após a inserção das palavras-chave nas bases de dados foram obtidos os primeiros resultados.
4. Análise das bases de dados – Através da análise dos primeiros resultados, foram evidenciadas algumas deficiências nas bases de dados e nos mecanismos de busca. Também se atentou para a qualidade dos artigos encontrados, bem como o número de citações e referências de cada um.
5. Análise dos resumos e artigos - Nessa etapa, foi realizada uma análise com o objetivo de se levantar o estado da arte desse assunto, os tipos de estudos e o contexto de aplicação das pesquisas.
6. Conclusões e sugestões - Por fim, foram analisados os documentos após o refinamento, para então, prosseguir a leitura e a coleta de dados.
O Quadro 2.1 apresenta o resumo dos documentos selecionados para a revisão bibliográfica.
Quadro 2.1 – Resumo dos artigos e pesquisas selecionados na revisão bibliográfica
Bases pesquisadas Conjuntos de Palavras Chave Primeiros
resultados Descartes
Documentos Selecionados Compendex
Cal, gesso e pozolana Lime and Gypsum and pozzolan
Cal e pozolana Lime and pozzolan
51 33 18 Scielo 16 8 8 Web of Science 54 28 26 Scopus 32 22 10 SBU (UNICAMP) 1 1 0 Google acadêmico 96 83 13 Total de documentos 75 Fonte: Autor.
Após a busca, os documentos foram avaliados e analisados, sendo então abordados os trabalhos relevantes, ou parte deles. As contribuições desses documentos foram utilizadas como base teórica para análise dos resultados obtidos na presente pesquisa.
2.1. Cal (CH)
A CH é classificada como um aglomerante inorgânico aéreo, uma vez que não endurece sob ação da água, mas sim devido à necessidade de contato com CO2 atmosférico
(carbonatação) (MEHTA: MONTEIRO, 2008). Por ser um aglomerante aéreo, não possui resistência à ação prolongada da água, diferentemente dos aglomerantes hidráulicos como o cimento Portland (CP) e a cal hidráulica natural (CHN).
A produção da CH é realizada através da calcinação de rochas sedimentares com alta concentração de carbonato de cálcio (CaCO3). Tal processo é realizado industrialmente sob
temperaturas que variam de 800 ºC a 1000 ºC (reação endotérmica), resultando em um aglomerante rico em óxido de cálcio (CaO), conhecido como cal virgem ou cal viva. Durante o processo de calcinação, o CO2 é liberado para a atmosfera segundo a Reação 2.1:
Reação 2.1
Uma fração de CO2 não é liberada na calcinação, permanecendo incorporada no
CaO resultante, a qual é conhecida por anidrido carbônico. A variação do anidrido carbônico é resultado do controle das condições da calcinação (tempo, temperatura e matéria-prima) e sua concentração é importante para a determinação dos índices químicos do produto final. A alta concentração desse composto evidencia um processo de calcinação falho, resultando em cales com menor pureza. Com relação à emissão do CO2, ainda que na calcinação seja gerado um
determinado volume, há benefícios como a eficiência energética, haja vista a menor temperatura dos fornos em comparação à produção do CP (BRANCO, 2013).
Waltrick (2011) considerou que além da fabricação industrializada, a CH também pode ser obtida por processos manuais. A produção manual é realizada sem controle, no que se refere à finura e à temperatura dos fornos.
As variações das temperaturas resultam em cales com baixa solubilidade, devido à formação de cristais insolúveis (temperaturas elevadas) ou cristais com núcleo carbonatado (falta de calor durante a calcinação).
A Figura 2.2 apresenta as variações ocorridas, relacionadas à falta de controle da temperatura na calcinação.
CaCO3 + Calor → CaO + CO2 ↑
Carbonato de cálcio 800 ºC a 1000 ºC Óxido de cálcio Dióxido de carbono
Figura 2.2 – Cales produzidas em temperaturas inadequadas
Fonte: Adaptado de Waltrick (2011).
No processo de produção da cal virgem são utilizados diferentes tipos de rochas carbonáticas sedimentares, como as calcárias e as dolomíticas. Enquanto as rochas calcárias apresentam a calcita (CaCO3) como composto predominante, as rochas dolomíticas contam
também com presença de carbonatos de magnésio (MgCO3). As variações na matéria-prima,
bem como a concentração desses elementos químicos, afetam as características físico-químicas do produto final, resultando em cales do tipo cálcica, magnesiana e dolomítica (SOUZA, 2013).
Para a comercialização, a cal virgem é hidratada industrialmente, haja vista que a reação é exotérmica e pode atingir temperaturas superiores aos 100 ºC. Não é recomendada, portanto, a hidratação em canteiros de obra, prática comum em alguns estados do Brasil, uma vez que esse processo pode acarretar sérios riscos à saúde dos trabalhadores. O procedimento de hidratação, conhecido por extinção da cal, resulta na CH, também denominada como portlandita ou cal extinta. O processo de hidratação é apresentado na Reação 2.2:
Reação 2.2
A hidratação da cal virgem deve ser realizada com certo cuidado, sendo necessário o controle do volume de água e da temperatura atingida durante o seu lançamento. Se a adição for realizada em excesso, feita rapidamente ou de uma só vez, os grãos maiores tendem à apresentarem hidratação superficial, seguido por enorme perda de porosidade, resultando no impedimento da passagem de água para o interior das partículas. Nesse caso, a cal passa a ser conhecida como “cal afogada”.
CaO + H2O → Ca(OH)2 + Calor
Óxido de cálcio
Água Hidróxido de cálcio
Em contrapartida, quando o volume de água não é adequado ou é adicionado em pequenas frações, há geração de calor excessivo em determinados pontos de cal virgem, de 200 ºC até 280 ºC. O aumento na temperatura causa a desidratação dos compostos vizinhos aos hidratos já formados, impedindo a penetração da água para o interior da partícula. Nesse caso, o produto é denominado por “cal requeimada” (SOUZA, 2013).
Após a reação de hidratação, as cales devem atender à NBR 7175 (ABNT, 2003) que determina suas características químicas e físicas. Os requisitos químicos são aferidos mediante o teor de anidrido carbônico (CO2), óxidos de cálcio (CaO) e magnésio (MgO) não
hidratados e óxidos totais na base de não-voláteis. O anidrido carbônico influencia na aderência aos substratos da alvenaria e na união entre os outros constituintes da argamassa. A presença de óxidos remanescentes, por sua vez, pode afetar a estabilidade volumétrica, sendo também relacionada à pureza da cal (POLISSENI, 2005; SEQUEIRA et al., 2007).
Quando a hidratação é realizada de maneira incorreta, após a formação do Ca(OH)2
é comum a presença de óxidos que não foram hidratados. Esses requisitos, segundo a NBR 7175 (ABNT, 2003), são apresentados no Quadro 2.2.
Quadro 2.2 – Requisitos químicos da CH
Compostos Limites
CH-I CH-II CH-III
Anidrido carbônico Na fábrica ≤ 5% ≤ 5% ≤ 13%
No depósito ≤ 7% ≤ 7% ≤ 15%
Óxidos de cálcio e magnésio não hidratado (CaO+MgO) ≤ 10% ≤ 15% ≤ 15% Óxidos totais na base de não-voláteis (CaOt + MgOt)1 ≥ 90% ≥ 88% ≥ 88%
Fonte: NBR 7175 (ABNT, 2003).
Para evitar a hidratação tardia dos óxidos remanescentes, é comum adotar-se o processo de maturação da CH, principalmente em serviços que utilizam argamassas. Esse processo consiste em deixar o composto “descansar” após a adição da água e dos agregados, a fim de garantir a hidratação completa do sistema.
O processo de maturação da CH é seguro e não oferece riscos para o trabalhador. Os requisitos físicos da CH e suas relações com o comportamento do material são apresentados nos Quadros 2.3 e 2.4, respectivamente.
1 Para “Óxidos de cálcio e magnésio não hidratado calculado” e “Óxidos totais na base de não-voláteis” a NBR 7175 (ABNT,
Quadro 2.3 – Requisitos físicos da CH
Compostos Limites
CH-I CH-II CH-III
Finura* Peneira 0,600 mm ≤ 0,5% ≤ 0,5% ≤ 0,5%
Peneira 0,075 mm ≤ 10% ≤ 15% ≤ 15%
Retenção de água ≥ 75% ≥ 75% ≥ 70%
Incorporação de areia ≥ 3% ≥ 2,5% ≥ 2,2%
Estabilidade Ausência de cavidades ou protuberâncias
Plasticidade ≥ 110 ≥ 110 ≥ 110
* % Retida acumulada.
Fonte: NBR 7175 (ABNT, 2003).
Quadro 2.4 – Propriedades físicas, NBRs relacionadas e comportamento da CH
Propr. Físicas NBR/ABNT Comportamento relacionado Finura NBR 9289
(ABNT, 2000)
Determina a velocidade em que as reações de hidratação ocorrem. Quanto maior a porcentagem de finos, mais rapidamente a reação será processada.
Retenção de água
NBR 9290 (ABNT, 1996)
Se relaciona à perda gradual de água para as camadas do substrato. Quando maior a retenção, maior a capacidade de aplicação e durabilidade.
Incorporação de areia
NBR 9207 (ABNT, 2000)
Relacionada à plasticidade da argamassa. A CH funciona como um “lubrificante” ao envolver os grãos de areia, promovendo sua incorporação.
Plasticidade NBR 9206 (ABNT, 2016)
Conjunto de ações relacionadas à produtividade, aplicação e desempenho.
Estabilidade NBR 9205 (ABNT, 2001)
Determina a estabilidade, retração e expansão. Quanto maior a quantidade de óxidos não hidratados, menor será sua estabilidade. Esses óxidos, quando hidratados tardiamente, sofrem um efeito de expansão.
Fonte: Melo et al. (2007); Souza (2013).
Durante a reação de carbonatação a CH passa a reagir com o ar, absorvendo CO2
para formar o CaCO3. Esse composto, que é diferente da rocha original, é conhecido por calcita,
sendo menos solúvel e mais resistente mecanicamente em relação a formação mineral original. Bandeira (2012) descreveu que a carbonatação pode ser classificada em duas fases distintas. Após a hidratação, ocorre a evaporação da umidade em excesso (fase 1), procedida pela própria carbonatação (fase 2). Para que essas fases ocorram é necessária a presença de água, a fim de possibilitar a dissolução e o transporte do próprio CO2,permitindo assim, o
Reação 2.3
Černý et al. (2006) avaliaram que o processo de endurecimento da CH após a hidratação depende de alguns fatores, tais como: concentração de CO2 no ar atmosférico, teor
de umidade dos materiais utilizados, temperatura do meio, espessura da camada e a permeabilidade ao vapor d’água. Essas condições também foram avaliadas por Faria (2004) e Coutinho (2006). As principais vantagens na aplicação de CH são apresentadas no Quadro 2.5.
Quadro 2.5 – Vantagens envolvendo a utilização da CH
Etapa Vantagens
Produção Menor emissão de dióxido de carbono e menor gasto de energia durante a produção (em comparação à produção do CP).
Aplicação Alta plasticidade na aplicação, devido à retenção de água.
Cura Absorção de dióxido de carbono (CO2) através da carbonatação e alta deformabilidade.
Desempenho
Alta durabilidade em ambientes expostos à água; alta resistência contra a ação das intempéries; alta compatibilidade com os substratos; menor rigidez em comparação ao CP; alta capacidade de deformação, acompanhando as solicitações da alvenaria; alta resistência a sais solúveis; maior porosidade, permitindo a secagem das camadas do substrato; e alta permeabilidade ao vapor de água.
Fonte: RODRIGUEZ-NAVARRO et al., 1998; LANAS e ALVAREZ, 2003; LANAS et al., 2006; FARIA et
al., 2008; VEIGA et al., 2009; ARIZZI e CULTRONE, 2012; ARIZZI et al., 2012; VEJMELKOVÁ et al.,
2012.
As pesquisas de Santos (2014), relacionadas à conservação de alvenarias históricas, avaliaram o desempenho de argamassas de CH nessa finalidade. Quanto houve aumento nas relações agl:agr, ocorreu também o aumento nos módulos de elasticidade e das resistências mecânicas. Entretanto, quando essa relação foi menor, maiores foram os valores de absorção de água por capilaridade e menores foram as resistências mecânicas.
As argamassas de CH foram utilizadas até meados do século XIX, quando tiveram seu declínio devido ao uso de produtos baseados em clínquer, após a própria descoberta do CP por John Smeaton (KATSIOTI et al., 2010). Até então, as argamassas de CH apresentavam inconvenientes como a elevada retração e as baixas resistências mecânicas, fatores que contribuíram ainda mais para a queda na sua utilização (ARIZZI et al., 2012).
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O Hidróxido de cálcio Dióxido de carbono Carbonato de cálcio Água
2.2. Cal e pozolanas
As pozolanas são classificadas como sendo materiais de elevada superfície específica, ricos em sílica (SiO2) e alumina (Al2O3) no estado amorfo2. Por si só, não são
capazes de endurecer, porém quando combinadas com o Ca(OH)2, dão origem a compostos
com características aglomerantes (KANAN, 2008; VELOSA et al., 2009). Segundo a NBR 12653 (ABNT, 2015), as pozolanas podem ser divididas em três classes (Quadro 2.6).
Quadro 2.6 – Classificação das pozolanas
Classificação Descrição Classe N
Pozolanas naturais e artificiais que obedecem a requisitos aplicáveis nessa norma, como certos materiais vulcânicos de caráter petrográfico ácido, “cherts” silicosos, terras diatomáceas e argilas calcinadas.
Classe C Cinza volante produzida pela queima de carvão mineral em usinas termoelétricas que obedece aos requisitos aplicáveis nessa norma.
Classe E Qualquer pozolana cujos requisitos diferem das classes anteriores, conforme estabelecido nessa norma.
Fonte: NBR 12653 (ABNT, 2015).
Quando obtidas a partir de materiais originalmente vulcânicos ou terras diatomáceas, as pozolanas são classificadas como naturais. Quando são produzidas por beneficiamento, passam a ser consideradas como artificiais. Entre os principais processos destacam-se: tratamentos térmicos (cinzas de casca de arroz – CCA), calcinação das argilas cauliníticas (metacaulim - MK) ou produção a partir de subprodutos industriais finamente moídos, oriundas dos filtros das chaminés de usinas termoelétricas (cinzas volantes – CV) (FARIA, 2009; VEIGA et al., 2010; DONATELLO et al., 2010).
Velosa (2011) concluiu que as pozolanas naturais têm em sua composição entre 22% e 70% de sílica (SiO2), 4% a 10% de alumina (Al2O3), 2% a 13% de óxido de ferro (Fe2O3)
além de uma pequena porção de impurezas (óxidos de cálcio, magnésio, sódio, potássio e trióxido de enxofre).
Quanto às pozolanas artificiais, as temperaturas diferem de acordo com cada matéria-prima, sendo importante que não sejam elevadas, a fim de se evitar potencializar a nucleação, e por consequência, a formação do crescimento cristalino.
As exigências químicas e físicas das pozolanas são apresentadas nos Quadros 2.7 e 2.8, respectivamente.
Quadro 2.7 – Exigências químicas para pozolanas
Propriedades Tipos de pozolanas
N C E
SiO2 +Al2O3 +Fe2O3 , %mín. 70 70 50
SO3, % máx. 4 5 5
Teor de umidade, % máx. 3 3 3
Perda ao fogo, % máx. 10 6 6
Álcalis disponíveis em Na2O, % máx. 1,5 1,5 1,5
Fonte: NBR 12653 (ABNT, 2015).
Quadro 2.8 – Exigências físicas para pozolanas
Propriedades Tipos de pozolanas
N C E
Material retido na peneira 45 μm, % máx. 34 34 34 Índice de atividade pozolânica:
Com cimento aos 28 dias, em relação ao controle, % mín. 75 75 75
Com a cal aos 7 dias, em MPa. 6 6 6
Água requerida, % máx. 115 110 110
Fonte: NBR 12653 (ABNT, 2015).
Diversos achados demonstraram que civilizações antigas detinham técnicas de aplicação de cales com adições pozolânicas, culminando em argamassas com alta durabilidade, principalmente em ambientes externos expostos à água. Gregos e Romanos, por exemplo, utilizavam adições de origem vulcânica que colaboravam para o aumento da durabilidade (VELOSA et al., 2007; VELOSA et al., 2009).
Moropolou et al. (2005a) caracterizaram a fundo argamassas históricas (gregas, helenísticas, romanas, bizantinas e pós-bizantinas), com mais de 400 amostras retiradas da área do Mediterrâneo (fortes, muralhas, igrejas, mosteiros e estruturas de alvenaria) compostas de cal e adições pozolânicas, oferecendo uma variabilidade de resultados quanto à composição, propriedades físicas e químicas, porosidade e resistência mecânica.
Černý et al. (2006) descreveram que o sucesso na aplicação de argamassas de cal e pozolanas depende da seleção do tipo e do conteúdo dos materiais pozolânicos. Silva et al. (2014) concluíram que, a principal vantagem na aplicação de pozolanas nesses compostos é a capacidade de endurecimento mesmo em condições de fraco contato com o CO2.
Siddique e Klaus (2009) avaliaram que cal livre não carbonatada tende a se combinar com os materiais pozolânicos presentes, resultando na formação de compostos cristalinos estáveis (C-S-H). O resultado dessa reação é uma redução no risco de lixiviação precoce, na diminuição dos danos causados pela ação dos ciclos de gelo/degelo, no aumento das resistências mecânicas e em maior durabilidade ao longo do tempo.
No presente trabalho, a revisão sistemática da literatura evidenciou as principais pesquisas envolvendo o uso de cal e pozolanas durante os últimos anos (2011 a 2018). As informações dessas publicações estão resumidas no Quadro 2.9.
Quadro 2.9 – Publicações envolvendo o uso de cal e pozolanas
Ano Autores Nº de
Amostras
Materiais
CH CHN MK CCA XAQ PN Incomuns
2011 Vejmelková et al. 7 X X X
2011 Harichane et al. 12 X X Solos com adições
2011 Coelho et al. 4 X X
2012 Vejmelková et al. 6 X X Aditivo hidrófobo
2012 Vejmelková et al. 6 X X X
2012 Gameiro et al. 17 X X
2012 Gameiro et al. 2 X X
2012 Faria et al. 9 X X X
2012 Faria et al. 9 X X X
2012 Matias et al. 12 X Resíduo cerâmico
2012 Fontes et al. 6 X X Resíduo cerâmico
2012 Bandeira 24 X X X
2013 Gameiro et al. 5 X X
2013 Cardoso 30 X X X
2013 Bianco et al. 2 X X
2013 Fernández et al. 23 X X Nanosílica
2013 Patrício et al. 8 X Resíduo cerâmico 2013 Falchi et al. 2 X X Aditivo hidrófobo
2013 Faria e Silva 11 X 2013 Souza 5 X X 2013 Branco 3 X X 2013 Andrejkovicová et al. 3 X X Sepiolita 2013 Grilo et al. 3 X X 2013 Vargas 3 X X
2014 Ferraz et al. 12 X X Zeólito
2014 Grilo et al. 3 X X
2014 Santos 4 X
Ano Autores Nº de Amostras
Materiais
CH CHN MK CCA XAQ PN Incomuns
2014 Nežerka et al. 9 X X
2014 Nežerka et al. 9 X X Resíduo cerâmico
2014 Duran et al. 4 X Nanosílica
2014 Pimenta et al. 3 X X Caulim
2014 Faria et al. 10 X X X Resíduo
2014 Pavía et al. 5 X X
2014 Andrejkovicová et
al. 17 X X Aditivos minerais
2014 Silva et al. 7 X X
2014 Hajjaji e Mleza - X X
2014 Nunes e Slízková 4 X X Aditivo hidrófobo
2015 Pavlík e Uzáková 5 X X Zeólito
2015 Koteng e Chen 8 X Sílica ativa e CV
2015 Arizzi et al. 2 X Agregados
2015 Azeredo et al. 3 X X
2015 Val et al. 8 X X Terra e fibras
2015 Quarcioni et al. 10 X X X Sílica ativa e CV
2015 Izemmouren et al. 12 X X Solos
2016 Maria 2 X X
2016 Müller et al. 3 X X Variados
2016 Nunes e Slízková 4 X X Aditivo hidrófobo
2016 Pavía e Aly 13 X X Escória
2016 Nunes et al. 4 X X Nanosílica
2017 Konakova et al. 5 X X Argila expandida
2017 Boonjaeng et al. 11 X X
2017 Hoppe Filho et al. 2 X X
2017 Alcântara et al. 3 X X Solos
Legendas utilizadas: CH – Cal hidratada; CHN – Cal hidráulica natural; MK – Metacaulim; CCA – Cinza de casca de arroz; XAQ – Xisto de argila queimada; PN – Pozolana natural.
Fonte: Autor.
O MK é um material pozolânico muito reativo. Seu principal componente, responsável por essa reatividade, é a metacaulinita (Al2Si2O5(OH)4). Para Rocha (2005), o ciclo
de produção do MK se dá pela prospecção da argila caulinítica, formada naturalmente por processos geológicos através da hidrólise do feldspato, segundo a Reação 2.4:
Reação 2.4
2KAlSi3O + 3H2O → Al2Si2O5(OH)4 + 4SiO2 + 2KOH
Feldspato Água Argila caulinítica Sílica Hidróxido de potássio
Souza e Dal Molin (2002) demonstraram que para a argila caulinítica desenvolver atividade pozolânica, a mesma deve ser calcinada a temperaturas entre 700 ºC e 800 ºC (Reação 2.5). Após esse processo, o material resultante deve passar por moagem, a fim de garantir a diminuição da granulometria em partículas inferiores a 5 μm. Velosa (2011) determinou que a reatividade das pozolanas se deve ao esfriamento brusco, promovendo a formação de matéria amorfa ou com baixo grau cristalino.
Reação 2.5
Ao final desse processo ocorre apenas a evaporação de moléculas de água, não havendo, portanto, a liberação de nenhum composto nocivo ao meio ambiente. A calcinação causa um desarranjo na estrutura da argila, resultando em um aluminossilicato amorfo de alta reatividade o próprio MK.
Moropolou et al. (2005b) avaliaram o desempenho de argamassas binárias de CH e MK. A reação proveniente do SiO2, composto que é rico em óxidos/ácidos, com o Ca(OH)2,
que é um composto básico, resultou na melhora das resistências mecânicas em idades avançadas. Argamassas sem adição de MK apresentaram retração, além de resistências mecânicas inferiores.
Faria (2009) avaliou que o MK tem potencial para melhorar o desempenho de argamassas de CH, principalmente em condições de cura úmida. Foram observadas melhoras quanto à diminuição da porosidade total, aumento da resistência ao transporte de vapor d’água, maior absorção de água por capilaridade, durabilidade e resistências mecânicas em idades avançadas. A Reação 2.6 demonstra o que ocorre entre o SiO2 e o Ca(OH)2.
Reação 2.6
Siddique e Klaus (2009) evidenciaram que as condições para a formação dos produtos finais da Reação 2.6, estão relacionadas aos traços entre a CH e o MK. Além disso, as condições para formação dos compostos dependem de alguns fatores, tais como: constituição
Al2Si2O5(OH)4 + Calor → Al2O32SiO2 + 2H2O
Argila caulinítica 800 ºC Metacaulim Água
Ca(OH)2 + 2SiO2 + H2O → 2CaOSiO2H2O
Hidróxido de cálcio
800 ºC Água Silicato de cálcio hidratado
mineralógica e granulometria do MK; relação água:aglomerante (a:agl); concentração de CO2
presente no meio, umidade relativa do ar, temperatura e porosidade total.
Vejmelková et al. (2012), Grilo et al. (2014) e Borges et al. (2014) avaliaram que condições de cura influenciam na velocidade das reações químicas, resultando em distintas configurações de endurecimento. Tais condições afetam o desenvolvimento das resistências mecânicas, a porosidade e a microestrutura das argamassas binárias de CH e MK.
Velosa et al. (2009) e Aggelakopoulou et al. (2011) concluíram que argamassas de CH e MK tendem a desenvolver produtos compatíveis com os substratos de edificações históricas. Entre as vantagens estão o aumento gradual das resistências mecânicas, menor retração e maior taxa de endurecimento em presença de água. Tais resultados foram comprovados por Moropolou et al. (2005a).
As Figuras 2.3a e 2.3b apresentam duas argamassas distintas, analisadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV), após 90 dias. A primeira apresenta uma argamassa de CH pura, onde é possível notar a formação de matrizes de Ca(OH)2 ou portlandita
(carbonatadas). A segunda exibe a MEV de uma argamassa binária de CH e MK, onde é evidente a formação de fibras acíclicas, que contribuem para o aumento das resistências mecânicas. Tais fibras são formadas por meio da reação pozolânica com a cal livre.
Figura 2.3 – MEV de uma argamassa de CH (a), MEV de uma argamassa de CH+MK (b)
Fonte: ANDREJKOVICOVÁ et al. (2014).
O Quadro 2.10 apresenta as principais pesquisas realizadas (2011 a 2018), para os procedimentos de busca. Esses dados foram, por sua vez, extraídos do Quadro 2.9 (publicações que envolvem o uso de cal e pozolanas).
(a) //
Quadro 2.10 – Principais misturas e traços realizados em compostos de CH e MK
Ano Autores e objetivos Traço CH:MK Valores de utilização do MK Curas Temperatura Umidade 2011
Coelho et al. 1:4 25% e 50% Não especificada
Comparar o desempenho das argamassas de CH e MK realizadas em laboratório, com as argamassas disponíveis no mercado para fins de reabilitação de alvenarias.
2012 Vejmelková et al. 1:3 30% 22±1 ºC 25% a 30%
Estudar o efeito de aditivos hidro-repelentes em argamassas com CH e MK.
2012 Faria et al. 1:3 30% e 50% 20 ºC 65% e 95%
Caracterizar argamassas de CH ou CHN e MK sujeitas a diferentes curas.
2012
Gameiro et al.
Pastas 5% a 50% 20±3 ºC 90% ± 5% 1:3 9% a 33% Ambiente, marítima e úmida 1:3, 1:2 e
1:1 30% e 50% 20±3 ºC 90% ± 5%
Caracterizar pastas e argamassas de CH e MK com vista à formulação de produtos para conservação de monumentos históricos.
2012 Gameiro et al. Pastas
Relação CH:MK
de 1:0,2 e 1:1 23±2 ºC 95% Avaliar a durabilidade e os compostos formados em pastas de CH e MK.
2012
Bandeira 1:3, 1:2 e
1:1 30% e 50% 20 ± 2 ºC 90% ± 5% Caracterizar as propriedades de argamassas de CH e MK no seu estado endurecido, com vista a avaliar a sua adequabilidade e possibilidade de aplicação.
2012 Faria et al. 1:3 e 1:2 30% e 50% Ambiente, marítima e úmida Caracterizar e avaliar o comportamento das argamassas de CHN e MK.
2013
Cardoso 1:3, 1:2 e 1:1 30% e 50% 20 ± 2 ºC 95 % ± 5% Avaliar a influência do MK nas propriedades das argamassas de CH, determinar os compostos formados e definir uma condição de cura ideal.
2013 Souza 1:3 5% a 20% Ambiente
Caracterizar argamassas de CH e MK para fins de reabilitação de edificações históricas. 2013
Branco 1:3, 1:2 e
1:1 30% e 50% 23 ± 3 ºC 95% ± 5% Determinar influência da variação do traço (agl:agr) e a substituição parcial de CH por MK, com vista à sua aplicabilidade em intervenções de reabilitação de alvenarias históricas. 2013
Gameiro et al. 1:3, 1:2 e
1:1 30% e 50% 20 ± 3 ºC 90% ± 5% Otimizar a composição e as propriedades físico-químicas de argamassas de CH e MK para fins de restauração em edificações de interesse histórico.
2013
Vargas 1:2 10% e 20% Ambiente, marítima e úmida
Ampliar o conhecimento de argamassas de CH e MK, em condições diferenciadas de cura, avaliando a evolução de suas propriedades com o avanço da idade.
Ano Autores e objetivos Traço CH:MK Valores de utilização do MK Curas Temperatura Umidade 2014
Silva et al. Pastas 5% a 50% 23 ± 2 ºC 95% ± 5%
Comparar o desempenho de pastas de CH e MK, em condições especiais de cura, a fim de se evidenciar o comportamento dos compostos formados, suas mudanças e estabilidade volumétrica em idades avançadas.
2014 Hajjaji e Mleza Pastas Variadas, com teor de CH em 20%
Investigar as alterações da microestrutura e propriedades físicas de argamassas de CH e MK. 2014
Nunes e Slížková 1:3 25% 20 ± 5 ºC 60% e 90%
Formular argamassas hidro-repelentes de CH e MK com adição de óleo de linhaça. Estudar a influência na adição do óleo nas características físicas e químicas dessas argamassas. 2014
Nežerka et al. Pastas 10% a 40% 20 ± 1 ºC 60%
Investigar da influência dos agregados na formação da microestrutura de argamassas de CH e MK.
2015 Azeredo et al. Pastas
Relação CH:MK
de 1:1 e 1:2 22 ± 2 ºC 100% e 65% Avaliar as características microestruturais de pastas de CH e MK.
2016
Nunes e Slízková 1:3 25% 20 ± 5 ºC 60% e 90%
Determinar a influência do óleo de linhaça como adição hidro-repelente nas propriedades físico-químicas e na resistência ao congelamento em argamassas de CH e MK.
2017
Boonjaeng et al. Pastas
Relação CH:MK 1:0.2, 1:0.4, 1:0.6, 1:0.8 e 1:1
25 ºC 93%
Investigar o desenvolvimento das fases e da zona de transição em de CH e MK com ativação alcalina.
Legendas utilizadas: CH – Cal hidratada; MK – Metacaulim. Fonte: Autor.
Branco (2013) concluiu que a utilização de CH e MK em argamassas para reabilitação de alvenarias históricas, deve ser cautelosa, devido às elevadas resistências observadas aos 90 dias. Relações de agl:agr entre 1:2 e 1:1 favoreceram o aumento das resistências mecânicas, principalmente aos 28 dias. O MK influenciou no aumento da absorção de água por capilaridade e na taxa de endurecimento em ambientes com elevada umidade relativa e fraco contato com CO2.
Bandeira (2012) concluiu que traços de 1:3 (agl:agr) apresentaram resistências mecânicas satisfatórias aos 180 dias, principalmente nas amostras com 50% de substituição de MK por CH. Argamassas com adição de MK em 30% apresentaram os melhores resultados, avaliados pelas maiores resistências mecânicas (RTF e RC), com menor variação volumétrica e
