ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA SUBSTITUIÇÃO DE CIMENTO POR METACAULIM
NA RESISTÊNCIA DO CONCRETO
CANEVASSI, J. V. R. FRANÇA, J. L. L.
Eng.º Civil Eng.º Civil
UNICAP-PE, UNICAP-PE,
Recife-PE; Brasil Recife-PE; Brasil
e-mail: joao.vitor@soloengenharia.com.br e-mail: jfranca08@gmail.com
MONTEIRO, E. C. B. BERENGUER, R. A.
Profª. Eng.ª Civil Graduando em Eng.º Civil
UNICAP/POLI-UPE UNICAP-PE,
Recife-PE; Brasil Recife-PE; Brasil
e-mail: e-mail: eliana@unicap.br e-mail: templarios_pm@hotmail.com
ANDRADE, G. P. Graduando em Eng.º Civil POLI-UPE/PE
Recife-PE; Brasil
e-mail: puentedg@gmail.com
RESUMO
O metacaulim é hoje um dos mais promissores materiais para a construção civil, onde seus principais benefícios são aumento das resistências mecânicas à compressão, tração e abrasão, redução e controle das reatividades álcali-agregado, aumento na resistência ao ataque por sulfato, redução da corrosão, diminuição da porosidade, maior coesão e melhoria estética da superfície. O presente trabalho visa avaliar as propriedades mecânicas do concreto quando há substituição parcial do cimento por metacaulim. Para tanto, foram moldados corpos-de-prova cilíndricos para três diferentes traços de concreto, o primeiro com substituição de 10% do cimento por metacaulim, o segundo com 15% de substituição, e, o último sem adição, denominado de concreto de referência. Assim, realizaram-se os ensaios de resistência à compressão, de esclerometria, para verificar a dureza superficial, e, por fim, o de ultrassom, que avalia a homogeneidade. Através dos resultados, constatou-se que os concretos incorporados com metacaulim obtiveram ganho de resistência a compressão considerável, tanto aos 7 dias, quanto aos 28 dias, comprovando assim os benefícios trazidos por esse material.
1 INTRODUÇÃO
Observa-se uma necessidade cada vez maior de se fornecer condições ao concreto para que ele possa melhorar a sua eficiência face às imposições crescentes de desempenho estrutural e de durabilidade a que ele é submetido. O Metacaulim é um material que já esta sendo utilizado em grande escala no Brasil e no mundo e por todos os benefícios prometidos pelo produto ao concreto faz –se necessário o estudo de sua influência na resistência do concreto.
2 METACAULIM
O metacaulim é uma adição mineral pozolânica, silicoso ou sílico aluminoso que por si só possui pouca ou nenhuma propriedade cimentícea, mas, quando finalmente dividido e na presença de umidade, reage quimicamente com o hidróxido de cálcio, à temperatura ambiente, para formar compostos com propriedades cimentíceas (NBR 12653, 2014).
2.1 Características químicas
O Metacaulim é um material pozolânico amorfo, de estrutura cristalina desordenada, obtido por processo industrial de ativação térmica entre 600 e 850 ºC de argilas cauliníticas e caulins (MEDINA, 2011). A caulinita sofre alteracoes em suas propriedades fisicas e quimicas, quandosubmetida a tratamentos termicos. A calcinação das argilas afeta a atividade pozolânicado produto resultante. A argila se torna mais reativa quando ocorre a desidroxilação,resultando em colapso e desarranjo da sua estrutura, sem a cristalização dos óxidosresultantes (NASCIMENTO, 2009).
Em presença do clínquer de cimento, leva à formação de outros compostos mais estáveis e mais resistentes mecânicamente e quimicamente. Seu efeito pozolânico é tão maior quanto maior for sua qualidade e finura, entretanto as características dos outros componentes da mistura, em especial do cimento, também têm grande influência na eficácia do metacaulim.
O materialpozolânico é definido como material que reage quimicamente com o Ca(OH)2, produto de hidratação do Cimento Portland à temperatura ambiente, para formar compostos resistentes (BORJA e ANJOS, 2010).
2.2 Caractecrísticas físicas
Um dos efeitos físicos causados pelas adições de Metacauim no concreto segundo Castro e Pandolfelli (2009) , é o aumento da densidade resultante do preenchimento dos espaços vazios existentes, pelas partículas finas inertes.
As características físicas das partículas controlam a demanda de água e a trabalhabilidade do concreto, uma vez que o refinamento dos poros e dos produtos de hidratação do cimento é causado pelas pequenas partículas das adições agindo como pontos de nucleação para os produtos de hidratação. Assim, segundo Isaia (2005) “o crescimento dos cristais ocorrerá não somente a partir da superfície dos grãos de cimento, mas também nos poros ocupados pela adição e pela água, influenciando a cinética da hidratação”.
A adição de Metacaulim no concreto interfere na movimentação das partículas de água em relação aos sólidos da mistura, eliminando a água acumulada que fica retida sobre os agregados.
3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
3.1 Séries de ensaios
Com o objetivo de quantificar a influência da substituição do cimento por metacaulim no concreto, foram moldados diferentes corpos-de-prova de concreto (10 x 20 cm) com variações na quantidade de substituição de cimento por metacaulim, onde foram realizados ensaios não-destrutivos como ultra-som e esclerometria, e ensaios destrutivos como o de resistência a compressão do concreto.
O desenvolvimento da pesquisa se deu no laboratório de materiais da Universidade Católica de Pernambuco – UNICAP, utilizando um conjunto amostral moldado no laboratório e composto por 3 diferentes grupos abaixo:
07 (dias) Referência/sem adição 28 (dias) Referência/sem adição 07 (dias) 10% Metacaulim 28 (dias) 10% Metacaulim 07 (dias) 15% Metacaulim 28 (dias) 15% Metacaulim
3.2 Materiais utilizados
Para a realização do procedimento experimental foram utilizados os materiais listados na Tabela 1:
Tabela 1 – Lista de matérias utilizados
Cimento CP II-Z 32
Agregado graúdo Brita com dimensões de 19mm Agregado miúdo Areia seca
Adições Metacaulim
Aditivos Superplastificante
Água Água potável proveniente da rede pública de abastecimento
3.3 Dosagem
Realizaram-se três tipos de traços, o de referência, que não tinha nenhuma quantidade de adição de Metacaulim, e outros dois, um com 10% e outro com 15% de Metacaulim. A adição do metacaulim se deu pelo processo de substituição do cimento. Na Tabela 2 são mostradas as quantidades em massa de cada traço realizado.
Tabela 2 – Traço em massa
Traço em Massa(kg) Traço 1 Traço 2 (10 % de Metacaulim) Traço 3 (15 % de Metacaulim) Metacaulim (kg) 0,0 0,6 0,9 Cimento (kg) 6,0 5,4 5,1 Areia (kg) 9,0 9,0 9,0 Brita(kg) 15,0 15,0 15,0 Água (L) 3,0 3,0 3,0
No primeiro traço o concreto ficou com a trabalhabilidade aceitável sem a necessidade de utilizar aditivos.Já para o segundo e terceiro traço, utilizando os mesmos procedimentos, foi identificado que o concreto possuia uma relção água/materiais secos baixa, e impediu a moldagem dos corpos-de-prova. Para resolver essa condição, foi utilizado o aditivo superplastificante para dar uma maior fluidez do concreto e de acordo com o fabricante a dosagem utilizada deveria ser entre 0,2% e 1,0% do peso do cimento, devendo ser adicionado após o final da mistura dos componentes do concreto, (cimento portland, adições, água e agregados, etc.) e nunca aos componentes secos do concreto ou cimento.
3.4 Ensaios de Esclerometria, Ultrassom e Resistência a Compressão
Foram realizados ensaios aos 7 dias e aos 28 dias, ambos com 9 corpos-de-prova cada, sendo 3 corpos-de-prova de referência, 3 com 10% de Metacaulim e 3 com 15% de Metacaulim.Todos os ensaios seguiram os procedimentos das NBRs e antes de qualquer ensaio os corpos-de-prova ficaram 24 horas fora da cura úmida para a secagem. No dia dos ensaios todos os corpos-de-prova foram retificados e depois foram lavados para remover todas as sujeiras provenientes da moldagem e cura.
Para a realização do ensaio de Esclerometria, foi seguido o procedimento determinado pela NBR 7584 (2012), para qual se utilizou um esclerômetro digital, onde se impactou ortogonalmente a área de ensaio dezesseis vezes para cada corpo-de-prova ensaiado, e foi realizada a leitura dos índices esclerométrico de cada impacto realizado.
O ensaio de Ultrassom foi realizado utilizando o aparelho da PUNDIT e após a calibração do equipamento foram realizadas as leituras de cada corpo-de-prova. O processo foi sempre o mesmo, acoplou-se os transdutores nas duas faces do corpo-de-prova, lembrando que sempre foi utilizada a vaselina como acoplante. Com os transdutores acoplados (transmissão direta) no corpo-de-prova foi feita a leitura do tempo em que a onda de Ultrassom precisou para passar do transdutor emissor até o receptor, o valor adotado foi sempre o menor mostrado no display, e a unidade foi µs. Foi realizado o ensaio nos corpos-de-prova, seguindo os procedimentos indicados na NBR 8802 (2013).
Por fim, o ensaio para a determinação da resistência a compressão realizou-se de acordo com a NBR 5739 (2007), onde foi utilizada uma prensa analógica e aplicada uma carga contínua até o recuo do ponteiro de carga der em torno de 10% do valor da carga máxima alcançada, que deve ser adotada como carga de ruptura do corpo-de-prova.
4. ANÁLISE DOS RESULTADOS
4.1 Ensaio de Ultrassom
Para análise dos dados do ensaio de Ultrassom foi utilizado à média de cada traço e a partir desta média foi possível classificar a qualidade do concreto em função da velocidade de propagação da onda ultrassônica, conforme mostra a Tabela 3.
Tabela 3 – Resultado do Ensaio de Ultrassom
Idade Traço Média da Velocidade(m/s)
7 dias Referência 4302 Metacaulim 10% 4384 Metacaulim15% 4287 28 dias Referência 4770 Metacaulim 10% 4733 Metacaulim 15% 4717
No ensaio de Ultrassom foi observado que aos 28 dias houve uma redução da velocidade de propagação do onda ultrassônica nos traços com 10% e 15% de Metacaulim em relação ao corpo-de-prova de referência, mas, essa redução não diminui a classificação da qualidade do concreto, aumentando aos 28 dias a sua classificação da qualidade do concreto. Vale salientar que no ensaio aos 7 dias o concreto com 10% de Metacaulim teve uma velocidade maior do que os outros dois traços. Também pode-se dizer que a substituição do cimento por metacaulim, mantendo a mesma relação água/aglomerante, não alterou significativamente a porosidade do concreto, fazendo com que sua homogeneidade permanecesse estável.
4.2 Ensaio de Esclerometria
Para objeto de análise, fez-se a média aritmética dos índices esclerométricos médios de cada corpo-de-prova dos diferentes tipos de traço, obtendo assim, apenas um índice que representasse cada traço em cada idade. Na Tabela 4 são mostrados os índices escleriométricosmédios (IEm) finais, determinados pelo cálculo da média aritmética dos IE individuais, e suas respectivas resistências determinadas pelo esclerômetro de reflexão.
Tabela 4 – Índices esclerométricos
IDADE METACAULIM
ÍNDICES ESCLEROMÉTRICOS
(MÉDIOS)
IEm FINAL RESISTÊNCIA
(MPA) 7 DIAS 0% 40,0 39,9 39,0 39,6 20,2 10% 38,0 38,4 38,7 38,4 19,3 15% 36,7 39,0 36,5 37,4 17,0 28 DIAS 0% 39,5 40,3 40,6 40,1 15,3 10% 38,0 40,5 38,7 39,1 14,8 15% 39,7 39,7 39,1 39,5 15,3
Observa-se através da Tabela 4, que os IEm finais obtidos aos 7 dias, justificam o resultado esperado, já que o metacaulim é uma adição de reação lenta, fazendo com que os resultados nas primeiras idades nos concretos com adição de metacaulim sejam menores do que os concretos sem este tipo de adição, ou seja, apresenta uma dureza superficial menor nas primeiras idades. Porém, observa-se que aos 28 dias, os traços com adições de metacaulim obtiveram um IEm final mais próximo ao do traço de referência, onde pode-se dizer que, após a idade mínima recomendada para este tipo de ensaio, que é de 14 dias, a resistência associada aos valores dos índices esclerométricos terão uma taxa de variação baixa.
4.3 Ensaio de Resistência a Compressão
Para este ensaio, diferentemente dos outros, o resultado é direto, a Tabela 5 mostra os resultados obtidos no ensaio. Como há um número pequeno de corpo-de-prova utilizou-se a média para a comparação dos traços.
Tabela 5 – Resultado do ensaio de compressão
Idade Traço CP’s Carga (Tf) Carga Mpa (Kgf/cm²) Média Mpa (Kgf/cm²) 7 dias Referência 1 14 18 20 2 16 21 3 18 23 Metacaulim 10% 4 16 21 21 5 19 24 6 14 18 Metacaulim 15% 7 16 21 23 8 20 25 9 17 22 28 dias Referência 1 22 28 26 2 19 24 3 20 26 Metacaulim 10% 4 19 25 27 5 20 25 6 24 30 Metacaulim 15% 7 22 28 30 8 24 30 9 24 31
diferença ficou bem amena, com resistência de 20 Mpa, 21 Mpa e 23 Mpa para os corpos-de-prova de referência, 10% de Metacaulim e 15% de Metacaulim respectivamente. A resistência final ficou em média de 26 Mpa, 27 Mpa e 30 Mp a respectivamente, a evolução desta resistência é mostrada na Figura1.
Figura 1: Resistência do concreto
Apesar dos resultados dos ensaios de Ultrassom e Esclerometria mostrarem uma diminuição da compacidade do concreto e da dureza superficial isto não indica que o Metacaulim é prejudicial ao concreto, uma vez que, estes dois ensaios são diretamente influenciados pelo manuseio dos equipamentos e aspecto do ambiente. Já o ensaio de Resistência a Compressão é um ensaio que a influência do manuseio e ambiente é mínima e também todos os resultados são diretos.
Ou seja, quanto melhor a Resistência a Compressão, melhor é a compacidade e dureza superficial do concreto e o ensaio de Resistência a Compressão mostrou um aumento significativo na resistência final do concreto houve um ganho de resistência aos 28 dias de 2,86% com 10% de Metacaulim e 13,96% com 15% de Metacaulim, ambos em relação ao corpo-de-prova de referência.
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O Metacaulim é um material que traz muitos benefícios para o concreto, desde a melhora da compacidade até a melhora da resistência do concreto. Este benefício foi verificado a partir de ensaios destrutivos (Resistência a Compressão) e não-destrutivos (Ultrassom e Esclerometria).
O ensaio de Resistência a Compressão demonstrou um aumento na resistência do concreto nos corpos-de-prova com 10% e 15% de Metacaulim em relação aos corpos-de-prova de referência na idade de 28 dias.
Apesar dos ensaios não-destrutivos de Ultrassom e Esclerometria mostrarem uma diminuição da velocidade de propagação do Ultrassom e diminuição da dureza superficial, o Metacaulim se comportou de uma forma esperada, principalmente no ensaio destrutivo de Resistência a Compressão, onde houve um aumento significativo de resistência. E esta característica deve-se ao fato de os ensaios não-destrutivos serem apenas qualitativos, onde não há como correlacioná-los com a resistência e também são ensaios que tem grande interferência com a maneira em que é utilizado o equipamento, ambiente, falha de concretagem e quantidade de amostra.
E por fim, o ensaio de Resistência a Compressão demonstrou este benefício, pois, quanto maior a resistência maior a compacidade e maior é a dureza superficial.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Concreto endurecido – Avaliação da dureza superficial pelo esclerômetro de reflexão: NBR 7584. Rio de Janeiro, 2012.
[2] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Concreto endurecido – Determinação da velocidade de propagação de onda ultrassônica: NBR 8802. Rio de Janeiro, 2013.
[3] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Ensaio de compressão de corpos-de-prova cilíndricos de concreto: NBR 5739. Rio de Janeiro, 2007.
[4] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Materiais pozolânicos – Especificação: NBR 12653. Rio de Janeiro, 2014.
[5] NASCIMENTO, R.M. “Estudo da aditivação do metacaulim de alta reatividade, produzido por meio do método de calcinação flash emcimento portland”, Universidade Federal do Paraná, 2009.
[6] ANJOS, M. A. S.; MOREIRA, H. P.; BORJA, E.V.; PEREIRA, A.C.; NETO, C. A. “Efeito adição de cinza de biomassa da cana-de-açúcar como finos no concreto autoadensável”, Fortaleza: IBRACON, 2010.
[7] CASTRO, A. L.; PANDOLFELLI, V. C. “Revisão: Conceitos de dispersão e empacotamento de partículas para a produção de concretos especiais aplicados na construção civil”. Cerâmica, v. 55, p. 18-32, 2009.
[8] ISAIA, G.C. “Concreto: Ensino, Pesquisa e Realizações”, São Paulo: IBRACON, 2005
[9] MEDINA, Engler Apaza. “Pozolanicidade do Metacaulim em sistemas binário com cimento Portland e hidróxido de cálcio”. Dissertação (Mestrado) – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo,São Paulo, 2011.
