Emerson Verzegnassi
Estudo das propriedades no estado fresco e endurecido do
concreto leve autoadensável
Limeira
2015
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE TECNOLOGIA
Emerson Verzegnassi
Estudo das propriedades no estado fresco e endurecido do
concreto leve autoadensável
Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado da Faculdade de Tecnologia da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Mestre em Tecnologia na Área de Concentração Tecnologia e Inovação.
Orientadora: Prof.ª Dr.ª Rosa Cristina Cecche Lintz Coorientadora: Prof.ª Dr.ª Luísa Andréia Gachet Barbosa
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO ALUNO EMERSON VERZEGNASSI, E ORIENTADA PELA PROF.ª DR.ª ROSA CRISTINA CECCHE LINTZ
_________________________________________
Assinatura da orientadora
Limeira 2015
RESUMO
Com a descoberta de aditivos químicos e adições minerais muitos tipos diferentes de concreto surgiram ao longo das últimas décadas. Porém o peso próprio do concreto convencional é considerado a sua maior desvantagem. Com isso abre-se campo para um material que apesar de ser conhecido pelos romanos, era pouco utilizado, o concreto com agregados leves. Muitas pesquisas surgem e em aproximadamente duas décadas aparece o concreto autoadensável e mais recentemente o concreto leve autoadensável. Este trabalho propõe o estudo deste material ainda pouco explorado o concreto leve autoadensável. Para isso são produzidos concretos com argila expandida em duas granulometrias diferentes: uma graúda em substituição total ao agregado graúdo de massa normal e uma miúda em substituição parcial ao agregado miúdo. São elaboradas três famílias de traços de concreto com consumos diferentes de cimento, 320, 360 e 440 kg/m³ de concreto, e realizados ensaios no estado fresco (anel J, funil V e caixa L) e endurecido (resistências à compressão e à tração, determinação do módulo de elasticidade, absorção e densidade). Os concretos leves foram classificados como auto adensáveis e apresentaram bons resultados quanto ao fator de eficiência e resistência sendo possível estabelecer equações de correlação para seu módulo de elasticidade. Para os ensaios de densidade observaram-se concretos leves com massas mínimas de até 1550 kg/m³ e resistências à compressão superiores aos valores estipulados pela norma NBR NM 35 para as densidades apresentadas em todas as misturas.
Palavras-Chaves: Materiais de Construção; Concreto autoadensável; Concreto leve autoadensável; argila expandida.
ABSTRACT
With the discovery of admixtures and mineral additions many different types of concrete emerged over the last decades. But the own weight of conventional concrete is considered their biggest disadvantage. With this opens up the field for a material that despite being known to the Romans, it was little used, the concrete with lightweight aggregates. Much research and come in about two decades appears the self compacting concrete and more recently the lightweight concrete self compacting. This work proposes the study of this material still little explored concrete lightweight self compacting. For this are produced concrete with expanded clay in two different particle sizes: one coarse in total replacement of coarse aggregate of normal mass and a fine partially substituting fine aggregate. Are designed three families of concrete mixtures with different cement consumption, 320, 360 and 440 kg / m³ of concrete, and the tests carried out in the fresh state (ring J, V funnel and L box) and hardened (resistance to compression and traction , determining the modulus of elasticity, absorption, and density). The concretes were classified as self compacting and showed good results as to efficiency and resistance factor being possible to establish a correlation equations for its modulus of elasticity. For the density tests were observed concretes with minimum masses of up to 1550 kg / m³ and compressive strengths greater than those stipulated by NBR NM 35 standard for the densities presented in all mixtures.
Keywords: building materials; self compacting concrete; self-compacting lightweight concrete; expanded clay.
SUMÁRIO
DEDICATÓRIA xv
AGRADECIMENTOS xvii
LISTA DE FIGURAS xix
LISTA DE GRÁFICOS xxi
LISTA DE TABELAS xxiii
CAPITULO 1 Introdução 1
1.1. Concreto de cimento Portland um breve histórico 1
1.2. Razões do sucesso do concreto 2
1.3. Aspectos ambientais da produção de cimento e concreto 3
CAPITULO 2 Objetivos 9
CAPITULO 3 Concreto leve estrutural 11
3.1.Definições e especificações 11
3.1.2. Histórico 13
3.2. O agregado leve 16
3.2.1. Processo de produção 17
3.2.2.Características do agregado leve 19
3.3. Propriedades do concreto leve 20
3.3.1.Trabalhabilidade 20
3.3.2.Massa especifica 22
3.3.3.Resistência 22
3.3.5. Retração e fluência 26
3.3.6. Durabilidade 28
CAPITULO 4 Concreto autoadensável – CAA 31
4.1. Definição 32
4.2 Breve histórico do CAA 33
4.3. Materiais constituintes 34
4.3.1.Cimento 35
4.3.2. Agregados 36
4.3.2.1.Agregado miúdo 36
4.3.2.2.Agregado graúdo 37
4.3.3.Adições minerais e aditivos 38
4.3.3.1.Adições minerais 40
4.3.3.2.Aditivos 42
4.3.3.3.Água para o CAA 50
4.4. Propriedades do CAA no estado endurecido 51
4.4.1.Resitência à compressão 52 4.4.2.Resistência à tração 53 4.4.3.Módulo de elasticidade 53 4.4.4.Fluência 54 4.4.5.Retração 55 4.4.6.Expansão Térmica 55
4.4.7.Aderência concreto/aço 56
4.4.8.Cisalhamento dos planos de concretagem 57
4.4.9.Resistência ao fogo 57
4.4.10.Durabilidade 58
4.5.Propriedades do CAA no estado fresco 59
4.5.1.Reologia 60
4.5.2.Pressão nas formas 61
4.6.Controle das propriedades no estado fresco 62
4.6.1.Fluidez e viscosidade aparente 64
4.6.2.Habilidade passante 66
4.7.Dosagem do CAA. 68
CAPITULO 5 Concreto leve autoadensável 71
5.1.Introdução ao CLAA 71
5.2.Materiais 72
5.3.Características do CLAA 73
5.3.1 Estado Fresco 73
5.3.2.Estado Endurecido 75
CAPITULO 6 Materiais e métodos 77
6.1.Materiais 77
6.1.1.Cimento Portland 78
6.1.3.Agregado Graúdo 80
6.1.4.Argila expandida 81
6.1.5.Areia Natural 84
6.1.6.Aditivo 86
6.2.Elaboração dos traços 87
6.3.Caracterização no estado fresco 90
6.3.1.Ensaio de escoamento livre 90
6.3.2.Ensaio de escoamento com o anel J 91
6.3.3.Determinação da habilidade passante – Caixa L 91
6.3.4.Determinação da viscosidade pelo funil V 92
6.4.Caracterização dos concretos no estado endurecido 93
CAPITULO 7 Resultados e Discussões 97
7.1. Resultados dos ensaios no estado fresco 97
7.2.Resultado dos ensaios no estado endurecido 101
7.2.1.Resistência à compressão 101 7.2.2.Resistência à compressão 103 7.2.3.Módulo de elasticidade 105 7.2.4.Propriedades físicas 108 CAPITULO 8 Conclusões 111 CAPITULO 9 Bibliografia 113
Dedico este trabalho à minha esposa Andréa pelo amor, paciência e carinho. E à família na qual nasci e me criei, sem isto não seria possível alcançar meus objetivos.
. AGRADECIMENTOS
À Deus, pela saúde, providência e presença constante.
À Prof.ª Dr.ª Rosa Cristina Cecche Lintz, pela valiosa orientação neste trabalho.
Ao Tecnólogo Dener Altheman pela grande contribuição e amizade ao longo dos últimos anos.
À Prof.ª Dr.ª Luísa Andréia Gachet Barbosa, pela colaboração e incentivo.
Aos técnicos do Laboratório de Construção Civil da FT - UNICAMP, Reginaldo Ferreira e Ivonei Teixeira pelo apoio e auxílio técnico.
Aos técnicos do Laboratório de Estruturas da FEC - UNICAMP, Luciano Passos e Marcelo Francisco Ramos pela colaboração na execução de ensaios.
À Faculdade de Tecnologia (FT/UNICAMP) pela oportunidade e suporte técnico para a realização desta pesquisa de mestrado.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Panteão Romano e El Tajin no México. Fonte: Lima, 2010 ... 13 Figura 2 - Navio USS Selma, construído em 1919. Fonte: Pinheiro (2009) ... 14 Figura 3 - Espectro dos agregados leves. Fonte: Mehta e Monteiro (2008). ... 16 Figura 4 Superfície dos agregados leves: sinterização (a); forno rotativo(b). Fonte: Rossignolo, 2009. ... 17 Figura 5 - Forno rotativo. Fonte: http://www.google.com.br/imgres?q=leca+expanded +clay&hl, 2012. ... 19 Figura 6- Fábrica da Cinexpan. Fonte: Cinexpan, 2012. ... 19 Figura 7 - (a) Concreto com segregação, (b) Concreto sem segregação. Fonte : Grabois, 2012. ... 21 Figura 8 - (a) Concreto com agregado leve; (b) Concreto com agregado flint arredondado. Fonte: Mehta e Monteiro (2008) ... 23 Figura 9 - MEV de zona de transição de agregado leve/matriz de cimento. Fonte: Mehta e Monteiro (2008) ... 24 Figura 10- Efeitos da substituição do agregado miúdo leve por areia natural: (a) fluência; (b) retração por secagem. Fonte: Mehta e Monteiro (2008) ... 28 Figura 11- Imagens por MEV da argila expandida: (a) superfície externa (300X); (b) superfície interna (300X); (c) superfície externa (1200X). Fonte: Moravia et al.(2006). .... 29 Figura 12- (a) Estrutura típica dos aditivos superplastificantes NS e MS; (b) atuação dos grupos aniônicos dos aditivos na superfície do grão de cimento; (c) comportamento das partículas do cimento antes e depois da adição dos superplastificantes. Fonte : Kreijger ... 45 Figura 13- Micrografias de dispersão do cimento em água: (a) antes sem aditivo; (b) com aditivo. Fonte: Mehta e Monteiro (2008). ... 46 Figura 14 - Mecanismo de ação dos aditivos a base de policarboxilatos. Fonte: Mehta e Monteiro (2008) ... 46 Figura 15 - Esquema de ação do VMA. Fonte: (www.basf.com.br) ... 48 Figura 16 - Fatores que influenciam a resistência do concreto. Fonte: Mehta e Monteiro (2008) ... 52
Figura 17- Módulo de elasticidade x Resistência à compressão. Fonte: Nikbin et al.(2014).
... 54
Figura 18- Influência do tipo de agregado no coeficiente de expansão térmica do concreto. Fonte: Mehta e Monteiro (2008). ... 56
Figura 19 - Verificação da segregação no CAA no ensaio de espalhamento: (a) segregado; (b) sem segregação. Fonte (a): Tutikian e Dal Molin (2008). ... 64
Figura 20 - Conjunto para medição de espalhamento. Fonte: ABNT NBR 15823:2010. .... 65
Figura 21 - Esquema gráfico da realização do ensaio de escoamento. Fonte: ABNT NBR 15823-2:2010. ... 66
Figura 22 - Anel J, posicionamento para ensaio. Fonte: ABNT NBR 15823-3:2010. ... 67
Figura 23 - Caixa L. Fonte: ABNT NBR 15823-4:2010. ... 68
Figura 24 - Material filito. Fonte: www.mineracaoitupeva.com.br, 2014. ... 79
Figura 25 - Curva granulométrica do agregado graúdo ... 81
Figura 26 - (a) Cinexpan 0500, (b) Cinexpan 1506. Fonte: Angelim, 2014. ... 82
Figura 27 - Curva granulométrica da argila expandida. Fonte: Angelim, 2014. ... 83
Figura 28 - Comparação visual entre os agregados leve e convencional. Fonte: Angelim, 2014 ... 84
Figura 29 Verificação prática do ponto de umidade ideal para a colocação do aditivo ... 89
Figura 30 - Verificação prática do ponto inicial dos ensaios ... 89
Figura 31 - Verificação do abatimento inicial. ... 90
Figura 32 - Ensaio de escoamento do CLAA. ... 90
Figura 33 - Ensaio de escoamento com o anel J. ... 91
Figura 34 - Ensaio da caixa L ... 92
Figura 35 - Ensaio funil V. ... 92
Figura 36 - Moldagem dos corpos de prova de concreto. ... 93
Figura 37 - Ensaio de compressão dos corpos de prova de concreto. ... 94
Figura 38 - Ensaio de módulo dos corpos de prova de concreto. ... 94
Figura 39 Ensaio de absorção, imersão e posterior secagem em estufa. ... 95
Figura 40 Pesagem do corpo de prova para o ensaio de absorção ... 95
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 Consumo anual de cimento no Brasil 4
Gráfico 2 Comparação do consumo de energia 6
Gráfico 3 Consumo específico de energia térmica 6
Gráfico 4 Evolução dos níveis de adição no Brasil 8
Gráfico 5 Potencial da emissão de CO2 8
Gráfico 6 Resultados do estado fresco 98
Gráfico 7 Comparativo caixa L x anel J 99
Gráfico 8 Funil V x Anel J 100
Gráfico 9 Resistência à compressão 102
Gráfico 10 Resistência x Fator de eficiência 103
Gráfico 11 Resistência à tração 103
Gráfico 12 Resistência à tração obtida e calculada 104
Gráfico 13 Módulo de elasticidade 106
Gráfico 14 Relação módulo x resistência à compressão 107 Gráfico 15 Absorção x Vazios x Massa Específica 108
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Adições permitidas por tipo de Cimento. Fonte: ABCP ... 7 Tabela 2 - Conteúdo de clínquer no cimento nacional (MCT, 2010) ... 8 Tabela 3- Valores de referência para a massa específica de concretos leves estruturais. Fonte: Rossignolo, 2009. ... 12 Tabela 4- Valores correspondentes de resistência à compressão e massa específica aparente de concretos leves. Fonte: ABNT, NM35: 1995/ERR-1:2008. ... 12 Tabela 5– Massa específica aparente de concretos leves. Fonte: ABNT, NM35: 1995/ERR-1:2008. ... 12 Tabela 6- Classificação para adições minerais. Fonte: EFNARC , 2005 ... 40 Tabela 7 - Como atuam as adições minerais. Fonte: EFNARC, 2005. ... 42 Tabela 8 - Grupos de aditivos e suas características ... 44 Tabela 9 - Problemas ocasionados pela dosagem incorreta dos VMAs. ... 50 Tabela 10- Classificação do CAA. Fonte: adaptado de ABNT NBR 15823-1. ... 63 Tabela 11 Características do cimento. Fonte: Holcim ... 78 Tabela 12 Tabela de composição química do filito. Fonte: http://www .mineracaoitapeva.com.br, 2015. ... 79 Tabela 13 Granulometria do agregado graúdo ... 80 Tabela 14 Composição química da argila expandida. Fonte: www.cinexpan.com.br... 82 Tabela 15 - Argila expandidas massas específicas e aparentes. Fonte: Angelim 2014. ... 82 Tabela 16 - Argila expandidas massas específicas e aparentes. Fonte: Angelim 2014. ... 83 Tabela 17 - absorção da argila ... 84 Tabela 18 - - Granulometria do agregado miúdo ... 85 Tabela 19 - Características do aditivo. Fonte: http://www.mc-bauchemie.com.br, 2014. .. 86 Tabela 20 - Dosagens das misturas ... 87 Tabela 21 - Resultados do estado fresco ... 97 Tabela 22 - Propriedades físicas e mecânicas do concreto ... 101
1
INTRODUÇÃO
1.1. Concreto de cimento Portland: um breve histórico
O desenvolvimento do concreto de cimento Portland, considerado o mais jovem dos materiais para construção de estruturas, se deu a partir da patente do cimento Portland obtida em 1824 por Joseph Aspdin (Rossignolo, 2009). Segundo Helene e Andrade (2007) o concreto é o segundo material mais utilizado pelo homem, só perdendo para a água.
Para se chegar ao atual ponto de desenvolvimento da arte de projetar e construir estruturas em concreto hoje, ocorreram no mínimo quatro revoluções nessa arte segundo Helene e Andrade (2007). A primeira delas seria as grandes obras em rocha feitas pelos egípcios, as pirâmides, entre 2800 e 2500 a. C., que colocou as rochas como principal material estrutural durante 4500 anos até a chegada do aço e das estruturas metálicas, com a Revolução Industrial (1750 a 1850 d. C.).
A segunda grande revolução aconteceria com a chegada do aço para construção de estruturas, sendo possível a construção de pontes para grandes vãos: a primeira em 1871 com 30 m de vão, em Telford, berço da Revolução Industrial, na Inglaterra; a ponte do Brooklin em Nova York, inaugurada em 1883. A versatilidade e desenvoltura deste tipo de material veio a se confirmar com a construção da torre Eiffel em 1889 com 312 m de altura, superando a pirâmide de Khufu, como a obra mais alta executada pelo homem, somente depois de 4400 anos. Até esse momento, as estruturas dos edifícios eram construídas com paredes estruturais de paredes portantes e pisos de madeira, as estruturas de aço eram utilizadas principalmente na construção de pontes e torres, muito pouco em edifícios. Este tipo de estrutura só se desenvolveu e se consagrou como a principal forma de construção de edifícios em alturas, a partir da patente do elevador sem risco de queda por Elisha Graves Otis em 1853, com o primeiro elevador elétrico instalado somente em 1889, e em 1888 com o sistema de esqueleto reticular patenteado por Leroy Buffington.
A terceira grande revolução se deu com o desenvolvimento do concreto armado. O concreto, em uma forma primitiva, obtido basicamente da mistura de cal hidratada e uma espécie de argila pozolânica, já era conhecido pelos romanos que o utilizaram na construção de estradas e edificações, sendo a principal delas a cúpula do Panteão de Roma. Ficou esquecido durante muito tempo, tendo reiniciado o seu desenvolvimento como material estrutural a partir da patente do cimento Portland obtida por John Aspdin. Nessa época a sua aplicação era pequena, surgindo algumas patentes para construção de artefatos de concreto, entre elas a de Joseph Monier em 1867 para construir vasos, e em 1878 para a fabricação de postes (sendo basicamente uma argamassa armada). Também é creditado a Monier o projeto da primeira ponte de argamassa armada. Em 1875, Gustav Adolf Wayss, engenheiro alemão, compra a patente de Monier e desenvolve o uso do concreto armado. Nessa mesma época, final do século XIX, o concreto de cimento Portland recebe grande impulso com as pesquisas desenvolvidas por Louis Vicat, Henry Le Châtelier e René Féret. A partir daí diversos engenheiros e pesquisadores desenvolvem e patenteiam procedimentos e técnicas que permitem o uso seguro do material.
As pesquisas em busca de melhorias do concreto de cimento Portland, levaram a quarta revolução, o descobrimento de adições minerais e químicas que possibilitaram a execução de concretos de alto desempenho, que tem grande rigidez além dos benefícios para a sustentabilidade da construção civil, com estruturas mais resistentes e mais leves, com menor consumo de material.
1.2. Razões do sucesso do concreto
Mehta e Monteiro (2008) observam que existem ao menos três razões principais para o grande sucesso do concreto como material de construção, apesar de não ser tão duro e resistente quanto o aço:
- A primeira seria sua excelente resistência à água, a capacidade do concreto de suportar a ação da água sem grande deterioração, diferentemente do aço comum e da madeira, transformando em um material ideal para obras de controle e armazenamento de água, como se pode observar em obras mais antigas como aquedutos, cisternas e represas construídas pelos romanos. Hoje o concreto é de uso comum na construção de barragens,
canais, pavimentos, reservatórios, em todo o mundo. A combinação do concreto com o aço em estruturas de concreto armado e protendido para suportar esforços de tração possibilita o seu uso em diferentes peças estruturais, como estacas, muros, pilares, tubos. Além disso, é um material que possui durabilidade frente às águas agressivas sendo muito utilizado em ambientes industriais e ambientes naturais.
- A segunda razão é a facilidade com a qual se obtém os mais diferentes elementos estruturais, nas mais variadas formas e tamanhos, devido à consistência plástica que o concreto tem em seu estado fresco, favorecendo o preenchimento de fôrmas pré-fabricadas, e em alguns casos, depois de ter adquirido consistência rígida, pode ter a forma removida para reuso.
- O terceiro motivo de escolha do concreto, como material mais popular entre os profissionais da área de engenharia, é a grande disponibilidade dos materiais componentes do concreto: água, cimento e agregados, combinados ao seu baixo custo, com valores variando, conforme a região do mundo, entre US$60 e US$100.
Apesar de todo o sucesso do concreto como material estrutural, ele foi até o início da década de 70 o resultado de uma simples mistura de cimento, água e agregados, não apresentando grandes inovações que melhorassem o seu desempenho. Porém, nas últimas quatro décadas, houve uma grande evolução do material, devido a dois fatores muito importantes: o aprimoramento de técnicas e equipamentos para o estudo do concreto como as tecnologias usadas para análises microestruturais, que permitiram o aprofundamento do conhecimento sobre a microestrutura da matriz de cimento e da zona de transição e outro ponto importante desta evolução é o uso de novos materiais, destacando-se os aditivos redutores de água e as adições minerais pozolânicas (Rossignolo, 2009).
1.3. Aspectos ambientais da produção de cimento e concreto
Os impactos ambientais gerados pelas ações do homem e sua tecnologia, são evidentes nos dias de hoje, e estes fazem parte da discussão diária, aquecimento global e suas consequências já afetam a vida de todos os seres que habitam no nosso planeta; a
poluição da água e do ar afeta diretamente a qualidade de vida das populações; destruição de ecossistemas; e até mesmo a falta de recursos naturais com água e areia em regiões com alta densidade populacional (John, 2007).
Segundo John (2007), não há material de construção que não traga nenhum impacto ao ambiente. O aumento da demanda da construção civil, fez com que nos últimos 35 anos o consumo mundial de materiais crescesse cerca de 2% ao ano, com 12 bilhões de toneladas em 2005, isso representando uma duplicação a cada 32 anos (Isaia, 2007). Com isso, o aumento das pressões sobre o meio ambiente é uma consequência inevitável e a indústria da construção civil, como um todo, é um dos setores da atividade humana que mais degradam o meio ambiente, desde a extração de matérias primas para a obtenção de seus produtos, como na alteração do meio e até o final do ciclo de vida dos seus produtos. Nesse aspecto, um dos setores mais impactantes da construção civil é a indústria do cimento portland, com altos índices de extração de matérias primas naturais, consumo de energia e emissão de gases de efeito estufa. Para se produzir uma tonelada de clínquer é necessária mais de uma tonelada de calcário, sendo que cada tonelada de calcário libera para atmosfera 440 kg de CO2 (John 2007) Tendo o concreto como seu principal produto, Mehta e Monteiro (2008)
estimam em 11 bilhões de toneladas/ano, podemos concluir pelos dados acima que o aumento na produção de concreto aumenta a demanda por produção de cimento (gráfico 1), aumentando a produção de CO2.
Gráfico 1 - Consumo anual de cimento no Brasil. Fonte: Dados do Sindicato Nacional da Indústria do Cimento (SINIC). 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 M ilh õ e s d e t o n e lad as Anos
Segundo John (2002) apud John (2007), a indústria do cimento seria responsável por 10% das emissões de CO2 do país, pois deve se somar aos mais de 500 kg de CO2
emitidos na produção de uma tonelada de clínquer, os gases decorrentes da queima de combustíveis para a calcinação do calcário. Já dados de 2009 do SNIC (Sindicato Nacional da Indústria do Cimento), mostram que a indústria do cimento é o setor produtivo que mais colabora com a emissão de CO2 no mundo, com cerca de 5% de todas as emissões
mundiais. Dados de 1990 a 1994 do MCT (Ministério de Ciência e Tecnologia) demonstram que a principal emissão no Brasil é as queimadas e o setor de produção do cimento que contribui com menos de 2%. O relatório de 2010 do MCT, com dados de 1990 a 2005, demonstra que apesar do aumento da produção de cimento de 49,7% e de clínquer de 30,5% as emissões de CO2 aumentaram 29,7%. Ainda segundo o relatório isto decorre
do aumento de adições ao cimento, o que diminui a necessidade da fabricação do clínquer. Segundo Lima (2010), as emissões de CO2 do concreto fabricado no país estão na
faixa de 195 a 231 kg/t, sendo 87% e 88% dessa emissão associados à cadeia produtiva do cimento. As emissões do concreto encontram-se entre as maiores da cadeia de materiais de construção nacional, com média de 24,7Mt/ano em 2007, que são determinadas pelas emissões do setor cimenteiro e pelas condições de produção de concreto, além de outros fatores. As emissões do cimento, no Brasil, são da ordem de 639 a 715 kg/t, abaixo da mundial que está entre 810 e 880 kg/t.
Segundo Carpio (2005), o maior consumo de energia, cerca de 80% da energia consumida numa instalação de produção de cimento, são os fornos onde se produz o clínquer, devido a alta demanda de calor para o processo de descarbonatação das matérias primas, como o calcário 94%, argila 4% e óxidos de ferro e alumínio (2%) (Rocha et al., 2011), sendo aquecidas à temperaturas de até 1500ºC, onde a chama do forno atinge até 2000 ºC, tradicionalmente utilizando para isso grandes quantidades de: óleo combustível, carvão, coque de petróleo e gás natural. Isso demanda um alto custo o que sempre preocupou a indústria do cimento, como qualquer outro setor produtivo.
Segundo o SNIC (2009), o setor da indústria do cimento no país tem um parque industrial moderno, onde 99% da produção é feita por via seca, com consumo específico médio de energia térmica de 825 Kcal/kg de cimento e o consumo específico de energia
elétrica de 107 kWh/ton de cimento, valores estes abaixo dos grandes produtores da União Européia e Estados Unidos, conforme gráficos 2 e 3.
Gráfico 2- Comparação de consumo de energia - fonte SNIC, 2009
Gráfico 3 - Consumo específico de energia térmica – fonte SNIC 2009
Dados do relatório do MCT de 2010 mostram que a indústria nacional de cimento chega a atingir consumo térmico da ordem de 653 kcal/kg de cimento e de 104kwh/ton de cimento, números estes que confirmam a indústria nacional como uma das mais eficientes em consumo específico de energia, abaixo dos padrões médios mundiais.
Outro fator que contribui para a diminuição do consumo de energia assim como a diminuição de emissões são os cimentos feitos com adições de matérias primas alternativas e subprodutos de outros setores da indústria. Estes cimentos foram desenvolvidos no país
há mais de 50 anos. Estes cimentos tem que seguir as especificações da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), conforme tabela 1.
Tabela 1 - Adições permitidas por tipo de Cimento. Fonte: ABCP
A utilização de cimentos com maior percentual de adições, como escórias siderúrgicas, cinzas de termelétricas e filler calcário diminui a utilização de clínquer e consequentemente a liberação que é inerente ao seu processo de fabricação. Segundo SNIC (1998b) apud Soares (1998), deve-se lembrar de que o processo de adição, e o tipo de adição ficam restritos à região onde se tem a disponibilidade destes materiais, devido à alta incidência do custo do transporte no preço final do produto.
Segundo Fonseca e Terada (1992) apud Soares (1998), no período entre 1982 e 1988 o uso de adições ativas permitiu uma redução do consumo específico de calor de 17% em relação ao início do período para o caso do Cimento Portland Comum.
O gráfico 4 mostra a evolução das adições no Brasil a partir de 1990, onde percebe-se um acréscimo nas adições de cerca de 200%, enquanto a produção de clínquer aumentou em 72% e a de cimento 100%.
Gráfico 4 - Evolução do uso de adições no Brasil. Fonte: SNIC, 1990
Os teores médios de CaO e MgO na matéria-prima não mudam substancialmente, ao longo do tempo, e as emissões oriundas do processo de descarbonatação da matéria prima mantêm-se relativamente constantes. Pode-se comprovar uma significativa diminuição das emissões de CO2/ton de cimento, resultado da utilização das adições e
diminuição da utilização do clínquer. A tabela 2 traz o conteúdo de clínquer no cimento nacional e a diminuição das emissões podemos comprovar no gráfico 5 (CMT, 2010).
Tabela 2 - Conteúdo de clínquer no cimento nacional (MCT, 2010)
Gráfico 5 - Potencial de não emissão de CO2 baseado na melhor tecnologia disponível (SNIC, 2009 apud MCT, 2010)
2
OBJETIVOS
Este trabalho teve como objetivo o estudo do concreto leve autoadensável (CLAA), que é um material desenvolvido a partir dos concretos autoadensável e do concreto leve.
Dessa forma estudaram-se suas propriedades, tanto no estado fresco como no estado endurecido e com vistas na utilização de adições minerais inertes, plastificantes de alto desempenho de pega normal, argila expandida de diferentes granulometrias (agregado leve) em substituição total ou parcial dos agregados utilizados convencionalmente.
Como objetivos específicos deste trabalho têm-se:
1) Caracterização e classificação dos materiais componentes da mistura; 2) Proposição de diversos traços de CLAA;
3) Realização de ensaios que verifiquem as propriedades reológicas destes concretos, tais como: fluidez e viscosidade;
4) Realização de ensaios que tragam dados sobre as propriedades físicas e mecânicas destes concretos tais como: resistências à compressão e à tração;
5) Comparações dos resultados das propriedades levantadas entre o CAA e CLAA;
Pretende-se com este trabalho verificar as características do CLAAs, visando conhecer o potencial de aplicação deste material, para que possa ser disponibilizado ao setor de construção civil, um concreto leve com reologia adequada a serviços específicos, que não apresente fenômenos de segregação e exsudação, e que possua resistências mecânicas requeridas capazes de atingir as necessidades dos projetistas que buscam leveza e resistência às peças estruturais.
3
CONCRETO LEVE ESTRUTURAL
3.1. Definições e especificações
Segundo Mehta e Monteiro (2008), o concreto pode ser classificado em três grandes categorias com base em sua massa específica:
o concreto de densidade normal, na ordem de 2400 kg/m³, composto por areia natural e pedregulhos ou agregados britados, é o mais comumente usado para estruturas;
com massa específica abaixo de 1800 kg/m³, são os chamados concretos leves, mais utilizados para peças que priorizam a leveza, podendo ser compostos por agregados leves, naturais ou sintéticos;
os concretos pesados, de densidade superiores a 3200 kg/m³, tendo como finalidade estruturas que necessitam de grande massa, como as utilizadas para blindagem contra radiação. São constituídos por agregados de alta densidade constituídos basicamente de dois minerais de bário, vários de ferro e um de titânio.
O concreto leve estrutural, segundo Rossignolo (2009), constituído basicamente pela substituição parcial ou total dos agregados convencionais por agregados leves é caracterizado por uma massa específica aparente abaixo de 2000 kg/m³. Segundo Mehta e Monteiro, o concreto leve tem como objetivo primário a densidade e não a resistência, sendo assim as especificações limitam a massa específica máxima permissível para o concreto. O ACI 213R-87 define a massa específica máxima de 1850 kg/m³ e resistência mínima à compressão aos 28 dias de 17 MPa para concretos estruturais de agregados leves (Mehta e Monteiro, 2008 apud ACI, 2002). Diferentes especificações trazem diferentes limites de massa específica para classificar os concretos como concretos leves, variando entre 1680 kg/m³ e 2000 kg/m³. A tabela 3 traz algumas dessas limitações, já a tabela 4 mostra os valores máximos de massa específica aparente e os valores mínimos de resistência à compressão correspondentes.
Tabela 3- Valores de referência para a massa específica de concretos leves estruturais. Fonte: Rossignolo, 2009.
Referência Massa específica aparente (kg/m³)
NM 35 (1995) 1680 < γ < 1840 ACI 213R-03 (2003) 1120 < γ < 1920 EUROCODE 2 (2007) 900 ≤ γ ≤ 2000 NS 3473 E (1998) 1200 < γ < 2200 CEB-FIP (1977) γ < 2000 RILEM (1975) γ < 2000
Tabela 4- Valores correspondentes de resistência à compressão e massa específica aparente de concretos leves. Fonte: ABNT, NM35: 1995/ERR-1:2008.
Resistência à compressão aos 28 dias, valores mínimos (MPa)
Massa específica aparente, valores máximos (kg/m³) 28 1840 21 1760 17 1680
Esta mesma norma, também traz os valores de massa unitária no estado seco e solto, que os agregados leves utilizados na produção de concretos leves estruturais, devem apresentar em função de sua graduação, valores estes mostrados na tabela 5.
Tabela 5– Massa específica aparente de concretos leves. Fonte: ABNT, NM35: 1995/ERR-1:2008.
Graduação do Agregado (faixa)
Massa específica aparente máxima valores máximos do
agregado no estado seco e solto(kg/m³)
1 e 2 1040
3 1120
3.1.2. Histórico
Segundo Rossignolo (2009), localizam-se no México, na região da cidade de El Tajin (figura 1), os primeiros indícios de utilização de um tipo de concreto leve. Construtores pré-colombianos utilizaram uma mistura de pedra-pome com um ligante a base de cinzas vulcânicas e cal para construir elementos estruturais. Porém as aplicações mais conhecidas foram feitas pelos romanos, nos períodos da República Romana, Império Romano e Império Bizantino, compreendidos entre os anos de 509 a.C. e 1453 d.C.. Os concretos utilizados pelos romanos eram uma combinação de cal e rochas vulcânicas. Entre as obras mais importantes feitas pelos romanos, com a utilização de concreto leve temos: quatro estruturas de ancoradouro que resistem até hoje no porto de Cosa (273 a.C.), inoperante hoje devido ao assoreamento; diversas paredes e as fundações do Coliseu romano (75 a 80 a.C); a cúpula do Panteão de Roma (125 a.C.) (figura 1), ainda em perfeito estado de conservação; a Catedral de Santa Sofia em Istambul na Turquia (532 a 537 d.C.). Com a queda do Império Romano, a utilização do concreto com agregado leve foi muito limitada, tendo novo impulso no início do século XX com a produção de agregados leves artificiais.
Em 1918, Stephen J. Hayde patenteou o processo de fabricação de agregados leves pelo aquecimento em forno rotativo de pequenas partículas de xisto, de argila e de ardósia, denominados Haydite. A patente de Hayde foi resultado de dez anos de estudo após ter observado em sua fábrica de tijolos, que quando os tijolos passavam por um processo de aquecimento muito rápido acabavam se expandindo e deformando (Rossignolo, 2009).
Ainda segundo Rossignolo (2009), os agregados de Hayde, foram utilizados pela primeira vez em 1918, na produção de concretos para fabricação de navios durante a Primeira Guerra Mundial, nesse período foram construídas 14 embarcações. O material foi utilizado mais intensamente na Segunda Guerra Mundial, quando foram construídos 488 navios (figura 2).
Figura 2 - Navio USS Selma, construído em 1919. Fonte: Pinheiro (2009)
A primeira utilização estrutural de concreto leve com agregados leves artificiais em edifícios foi em 1922, em um ginásio na cidade de Kansas, EUA. Depois em 1929, na mesma cidade, houve a primeira aplicação em edifício de múltiplos pavimentos. Até o fim da licença obtida por Hayde, em 1946, a utilização do material ficou limitada aos EUA e Canadá. Com o fim da licença surge na Dinamarca a primeira fábrica de agregados leves em argila expandida. O fim da licença de Hayde e a reconstrução do pós-guerra disseminaram a tecnologia dos concretos leves pelo mundo, principalmente em:
construções pré-fabricas, para beneficiar o transporte e a montagem;
estruturas especiais, como estruturas flutuantes, pontes e coberturas para grandes vãos.
A descoberta de novos materiais, como os redutores de água e as adições minerais, que vieram na década de 70 e revolucionaram a tecnologia do concreto normal, também acabaram afetando positivamente a tecnologia do concreto leve (Rossignolo, 2009).
No Brasil, os agregados leves (argila expandida) começaram a ser produzidos em 1968, quando o Grupo Rabello, implantou a fábrica Cinasita para fornecer os agregados leves para outra empresa do grupo que fazia construções pré-moldadas. Desde então, a argila expandida passou a ser utilizada em diversos ramos da construção civil nacional, em concretos estruturais sua principal utilização eram em peças pré-fabricadas e em construções de múltiplos pavimentos, principalmente nas lajes.
Segundo Rossignolo (2009) as pesquisas e o desenvolvimento da tecnologia do concreto leve estrutural, tiveram como marco inicial os trabalhos da Professora Yasuko Tezuka em 1973, com seu trabalho de mestrado pela Universidade de São Paulo, intitulado “Concreto Leve a Base de Argila Expandida” e também pelos projetos estruturais com concreto feito com argila expandida, assim como a divulgação das implicações da utilização deste tipo de agregado em concretos estruturais, desenvolvida pelo engenheiro Augusto Carlos de Vasconcelos em 1973 e 1976. Também contribuíram para evolução deste tipo de concreto as pesquisas desenvolvidas a partir da década de 90, sobre os concretos de alto desempenho com argila expandida por diversos pesquisadores, destacando os trabalhos coordenados pelos professores Marcos Vinicio Costa Agnesini e Osny Pellegrino Ferreira, trabalhos sobre concretos de alto desempenho com argila expandida, sendo boa parte dos trabalhos dessa equipe também desenvolvidos pelo professor João Adriano Rossignolo.
3.2. O agregado leve
Em geral, são considerados agregados leves aqueles que possuem massa unitária em estado solto e seco abaixo de 1120 kg/m³ e podem ter aplicação em diversos tipos de concreto. O que determina esse peso leve do agregado é sua microestrutura celular ou a sua estrutura altamente porosa (Mehta e Monteiro, 2008). Os agregados leves podem ser classificados de duas formas quanto a sua origem, naturais ou artificiais (Rossignolo, 2009).
A obtenção dos agregados leves naturais é por meio da britagem de rochas ígneas vulcânicas, como pedra-pomes, escória ou tufo. Para a obtenção de agregados leves artificiais são necessários processar termicamente materiais, como, por exemplo, argilas, folhelhos, ardósia, diatomita, perlita, vermiculita, escória de alto forno e cinza volante. Existe uma ampla gama de agregados leves, entre 80 kg/m³ a 900 kg/m³ de massa unitária, os de menor massa unitária são geralmente mais frágeis sendo mais utilizados na produção de concretos isolantes térmicos sem função estrutural, enquanto os mais pesados, portanto mais densos, com estruturas menos porosas, são mais adequados aos concretos com função estrutural (Mehta e Monteiro, 2008). Esta gama de agregados e sua utilização são mostradas na figura 3.
3.2.1. Processo de Produção
Segundo Rossignolo (2009), os agregados leves podem ser produzidos de duas formas por sinterização e por forno rotativo (figura 4). O processo de sinterização pede que a matéria prima seja misturada com uma quantidade ideal de material combustível, carvão finamente moído ou coque. A partir daí o material é submetido a altas temperaturas utilizando-se uma grelha móvel, ocorrendo a expansão devido a formação dos gases, formando um clínquer irregular com aresta vivas, que deve ser britado para se adequar ao uso em concretos. Não tem recobrimento e está sujeito a altos índices de absorção de água. A massa unitária desses agregados fica entre 650 k/m³ e 900 kg/m³.
Figura 4 Superfície dos agregados leves: sinterização (a); forno rotativo(b). Fonte: Rossignolo, 2009.
Alguns materiais têm a característica de se expandir quando expostos à altas temperaturas, o processo do forno rotativo, ou nodulação, se aproveita dessa característica de algumas argilas. Essas argilas quando expostas à temperaturas entre 1000ºC e 1350ºC, tem parte de seus componentes fundidos formando uma massa viscosa, enquanto outras partes se decompõem quimicamente formando gases que são incorporados pela massa, expandindo o seu tamanho em até sete vezes. As partículas formadas nesse processo acabam tendo sobre a sua superfície uma camada vitrificada. Os gases incorporados a massa deixam a estrutura das partículas porosas internamente mesmo após o resfriamento. Esse processo produz agregados de granulometria variada de forma arredondada e regular, estrutura interna esponjosa microcelular, com uma superfície externa cerâmica vitrificada
de baixa permeabilidade. Devido a esta última característica tem a denominação de “encapado” (Rossignolo, 2009).
Santos et al. (1986) descreve as etapas da fabricação da argila expandida em fornos rotativos (Figura 5):
1) Homogeneização: a mistura é lançada em depósitos para mistura e homogeneização;
2) Desintegração: o material é triturado para ser reduzido à dimensões máximas de 50 mm;
3) Mistura e nova homogeneização: o material é levado por esteiras até um misturador, onde é trabalhado para atingir a trabalhabilidade adequada a extrusão. É feita a correção da água e podem ser utilizados aditivos para melhorar a plasticidade ou para aumentar a expansibilidade da argila;
4) Laminação: o material passa por cilindros rotativos que reduzem os torrões a dimensão máxima de 5 mm, deixando a mistura fica pronta para extrusão;
5) Pelotização: a extrusão continua a forçar o material contra uma placa com orifícios circulares, que vão influenciar no tamanho do agregado após a queima. Após a extrusão o material é cortado por uma lâmina rotativa. Isso forma as pelotas de argila que são levadas ao forno;
6) Secagem e queima: a parte mais importante do processo ocorre dentro do forno rotativo. Detalhes como a disposição de aletas internas que conduzem o material, a inclinação do forno, o tempo de permanência do material dentro do forno e outros específicos, são planejados de acordo com as características da argila utilizada para se obter maior eficiência tanto do processo como do produto final. Na primeira parte ocorre a secagem das pelotas. Na zona de combustão, geralmente em temperaturas entre 1000º a 1350º, as pelotas sofrem a expansão. O combustível do forno é geralmente óleo ou gás.
7) Resfriamento: na saída do forno, ventiladores sopram ar por um cilindro (o ar quente resultante do processo de resfriamento é aproveitado no interior do forno);
8) Classificação e estocagem: os agregados são classificados e separados por peneiras vibratórias para armazenamento e posterior comercialização;
Figura 5 - Forno rotativo. Fonte: http://www.google.com.br/imgres?q=leca+expanded+clay&hl, 2012.
O único tipo de agregado leve produzido no Brasil é a argila expandida, produzida em Várzea Paulista, interior do Estado de São Paulo, pela Cinexpan Indústria e Comércio Ltda. (figura 6).
Figura 6- Fábrica da Cinexpan. Fonte: Cinexpan, 2012. 3.2.2. Características dos agregados leves
Os agregados leves apresentam algumas características que influenciam fortemente o comportamento dos concretos leves produzidos. Rossignolo (2009) destaca algumas destas características:
a) A forma e a textura superficial: influenciam diretamente a resistência mecânica dos concretos, pois estão diretamente ligadas ao consumo de água necessária para obter a trabalhabilidade necessária. O processo de fabricação é quem comanda estas características, o agregado produzido por sinterização apresenta uma superfície mais rugosa e porosa, com formas angulosas. Isso lhe rende uma melhor aderência, porém também aumenta o consumo da pasta de cimento, consequentemente a massa específica do concreto, a absorção de água e a água necessária para melhorar a trabalhabilidade. Os agregados, como argila expandida, produzidos em fornos rotativos, apresentam uma superfície mais lisa e formato arredondado, o que diminui a absorção de água, proporciona uma melhor trabalhabilidade com baixo fator água/cimento, porém o formato esférico também acaba facilitando a segregação.
b) Estrutura interna: a estrutura interna porosa dos agregados leves é a responsável pela sua baixa massa específica, o que é uma vantagem quando se fala na massa especifica do concreto leve, mas que afeta negativamente a resistência e o módulo de deformação. A distribuição dos poros assim como seu tamanho também influencia o comportamento mecânico do agregado, quanto menores e mais uniformes mais resistentes são os agregados, porém mais densos (o inverso também é verdadeiro).
c) A porosidade e absorção de água: duas características ligadas entre si e intimamente ligadas a efeitos nas propriedades do concreto fresco e no processo de hidratação do cimento. A alta absorção de água pelo agregado leve pode: aumentar a retração por secagem, formação de excesso de bolhas de ar, aumento da massa específica e redução da resistência ao fogo, porém pode trazer melhorias na zona de transição e na cura interna do concreto.
3.3. Propriedades do concreto leve
3.3.1. Trabalhabilidade
Os fatores que afetam as propriedades do concreto feito com agregados leves são praticamente iguais aos que afetam o concreto de peso normal. A baixa densidade e a textura áspera do agregado poroso, especialmente o britado, demandam uma maior atenção
à trabalhabilidade. O lançamento, a compactação e o acabamento exigem menor esforço do que para os concretos convencionais, sendo assim concretos leves com abatimentos em torno de 50 a 70 mm podem ser comparados a concretos convencionais de abatimento entre 100 e 125 mm (Mehta e Monteiro, 2008).
Para a determinação dos valores de abatimento de um concreto leve deve-se levar em conta o valor da massa específica do agregado leve. No caso do abatimento medido pelo método do tronco de cone (ABNT NBR NM 67:1998), os concretos apresentam valores de abatimento menores em relação aos concretos convencionais, isto ocorre em função da menor massa específica, provocando um menor efeito da ação da gravidade sobre a massa do concreto. Esse efeito menor da gravidade sobre os concretos leves, afeta fortemente as condições de transporte, lançamento e adensamento destes concretos. O abatimento elevado e excesso de vibração podem ocasionar a sedimentação da argamassa, mais pesada, causando o fenômeno chamado de “flutuação do agregado graúdo”, fenômeno inverso do que acontece no concreto convencional (Mehta, Monteiro, 2008) (Rossignolo, 2009). Ainda segundo Rossignolo (2009) esse fenômeno pode ser evitado pela dosagem de concretos com coesão e consistência adequados, pelo controle do fator água/cimento e do teor de agregados miúdos e com adições minerais, como a sílica ativa. Isso ocasiona uma perda de abatimento, que pode ser agravada quando há uma considerável e continuada absorção de água do agregado leve da mistura. Controla-se este problema saturando-se o agregado antes da mistura. A figura (7) mostra a segregação dos agregados leves.
Figura 7 - (a) Concreto com segregação, (b) Concreto sem segregação. Fonte : Grabois, 2012.
(b) (a)
3.3.2. Massa específica
Segundo Mehta e Monteiro (2008), em conjunto com a trabalhabilidade a resistência e a massa específica são propriedades especificadas para os concretos leves. A NM 35 (1995), por exemplo, limita a massa específica máxima do concreto leve em 1840 kg/m³, mas não mostra um limite mínimo. Sabe-se que um concreto feito com um agregado de dimensão máxima superior a 19 mm pode ser utilizado para a produção de um concreto com massa específica inferior a 1440 kg/m³, mas pode acabar não atingindo a resistência mínima de 17 MPa aos 28 dias. Segundo Chandra e Berntsson (2002), quanto maior o agregado e mais poroso, menos denso ele é. Porém não é só a densidade do agregado que influencia na densidade do concreto leve, ela também depende da granulometria do agregado, do seu teor de umidade, da quantidade de cimento, da relação água/cimento. Além disso, também causam influência os métodos de compactação e as condições de cura. Segundo Mehta e Monteiro (2008) a maior parte dos concretos leves estruturais tem massa específica entre 1600 e 1760 kg/m³, mas em casos especiais, apesar de ultrapassar o limite de norma, condições de trabalho podem exigir concretos leves com massa específica superior aos 1840 kg/m³ (Mehta e Monteiro, 2008).
3.3.3. Resistência
Há uma grande relação da massa específica do concreto leve estrutural com sua resistência, essa relação pode ser definida pelo Fator de Eficiência, conforme a equação (1):
Fator de eficiência = fc/γ (MPa.dm³/kg) (1)
onde fc = resistência à compressão (MPa) γ = massa específica aparente (kg/dm³)
Estudos tem avançado no sentido da melhoria deste fator para concretos leves, com o Zhang e Gjørv em 1991, que atingiram a resistência à compressão de 102 MPa com uma massa específica de 1735 kg/m³, gerando um fator de eficiência de 58,7 MPa.dm³/kg (Rossignolo, 2009). Sendo que pode ser considerado um concreto leve de alto desempenho aquele que apresenta um fator de eficiência superior a 25 MPa.dm³/kg (Sptzner,1994 e Armelin et al., 1994 apud Rossignolo, 2009,).
Segundo Mehta e Monteiro (2008), estudos feitos a partir de corpos de prova já rompidos à tração na compressão mostram que realmente o elo maios fraco do concreto feito com agregado leve é o agregado e não a zona de transição, como ocorre nos concretos convencionais como pode se ver na figura 8.
Figura 8 - (a) Concreto com agregado leve; (b) Concreto com agregado flint arredondado. Fonte: Mehta e Monteiro (2008)
Ainda segundo Mehta e Monteiro (2008), estudos feitos com microscopia eletrônica de varredura mostram que, a reação pozolânica que ocorre junto a superfície do agregado leve aumenta a resistência da aderência do agregado à matriz da pasta de cimento tornando maior que a resistência do agregado (figura 9).
Figura 9 - MEV de zona de transição de agregado leve/matriz de cimento. Fonte: Mehta e Monteiro (2008)
Lo et al. (2006), também afirma que a resistência do concreto de agregado leve depende da resistência do agregado leve usado e da pasta de cimento endurecida, bem como da zona de aderência entre a pasta de cimento e o agregado. Também afirmam que se utilizar um agregado leve de alta resistência tem-se o mesmo efeito de parede obtido no concreto convencional e, também, que se há um aumento da relação água cimento, também ocorre uma maior formação de bolha de ar na pasta de cimento e na zona de aderência pasta agregado ocasionando perda de resistência.
Segundo Mehta e Monteiro (2008), concretos leves com resistência entre 20 e 35 MPa são comuns, porém, com um consumo de cimento elevado agregados leves de dimensão máxima pequena (9 ou 13 mm), algumas indústrias conseguem produzir concretos leves com até 50 MPa. Agregados leves de porosidade controlada têm sido desenvolvidos para que se possa produzir concretos que atinjam de 70 a 75 MPa com massa específica entre 1840 a 2000 kg/m³.
3.3.4. Módulo de deformação
O módulo de deformação é uma importante propriedade mecânica a ser avaliada em concretos. Seu valor é intrínseco à análise de outras propriedades como fluência, retração,
deformação por variação térmica, entre outras. Assim, como para o concreto de massa normal, a determinação do módulo para concretos leves é sumariamente importante para a aplicação estrutural.
Observa-se que a deformação do concreto leve está diretamente ligada à quantidade e ao tipo do agregado leve utilizado, e a sua relação com a argamassa componente deste concreto. Quanto mais próximos os módulos das fases, argamassa e agregado, melhor será o comportamento no regime elástico ou elasto-plástico (Rossignolo, 2009). Deve-se a isso a fissuras que são geralmente encontradas na interface entre o agregado e a pasta de cimento; onde, surpreendentemente, no caso dos agregados leves não são observadas. A principal razão para a falta de fissuras de ligação pode ser devido à semelhança da rigidez elástica do agregado e a fração de argamassa. As curvas de tensão-deformação de agregados leves de argila calcinada, são tipicamente lineares até níveis próximos de 90% da força de ruptura, que indica a compatibilidade dos constituintes e as ocorrências reduzidas de microfissuras (Chandra e Berntsson, 2002).
Segundo Rossignolo (2005), os valores de módulo dos concretos leves são baixos, se comparados aos de concretos de massas específicas convencionais, na faixa de 50% a 80% dos valores de módulo dos concretos convencionais, para valores de resistência a compressão em torno de 20 a 50 MPa. Ainda segundo Rossignolo (2005) os concretos com argila expandida brasileira apresentam um comportamento elástico até 80% do carregamento último, nos concretos convencionais o valor é de 60%. Mehta e Monteiro (2008), afirmam que os valores dos módulos dos concretos leves podem ter um aumento da ordem de 15 a 30% com a substituição total da areia leve por areia natural. Também afirmam que, experimentos realizados indicam uma máxima deformação específica por compressão final da maioria dos concretos leves, podendo ser maior que 0,003 mm/m.
Angelin et al. (2013) desenvolveram trabalho que analisou concretos fluídos desenvolvidos no Brasil com agregados de argila calcinada, comparativamente à aplicação de agregados de massa normal (basalto). Os autores encontraram que concretos leves com redução da massa específica em 31% sobre o concreto de referência (com agregados de massa normal), pode resultar em concretos com perda superior a 60% do módulo de elasticidade.
As considerações acima são bem preocupantes quando do emprego de concretos leves sem considerar esse parâmetro. Pois, por exemplo, na aplicação em lajes ou vigas que são elementos projetados para dada deformação, poderá ocorrer a ruína se a deformação da peça, devido ao baixo módulo, ultrapassar o limite de segurança adotado nas premissas normativas de cálculo estrutural.
A norma brasileira ABNT NBR 6118:2014, aplica-se a concretos de massa normal (> 2.000 kg/m³). Assim, as premissas de projeto devem se atentar que nessa norma os estimadores não estão embasados para concretos leves. Hoje não há referência normativa para esta propriedade diretamente sobre o concreto de massa normal.
Massucato et al. (2003) notaram o grande impacto no módulo com relativamente pouco aumento no teor de argamassa no traço, se comparado com o traço de CAA triviais. Os autores expuseram ainda que, a litologia do agregado graúdo é um dos maiores impactantes para redução do módulo de deformação.
Ardakani e Yazdani (2014) ainda observa que o módulo é afetado e reduzido, pelo agregado leve, podendo ser correlacionado com a massa específica do concreto para determinado agregado utilizado.
3.3.5 Retração e fluência
A retração por secagem e a fluência do concreto têm sido estudadas por um longo tempo e várias teorias têm sido propostas a respeito de seus mecanismos. No que diz respeito à retração, há a teoria de tensão capilar, a adsorção de superfície, a teoria da água intersticial; para a fluência, há a teoria de visco-elástico, a teoria de infiltração entre outras. Na maioria destas teorias, o comportamento da água contida no concreto é considerado um fator importante que influencia a retração e a fluência. No que diz respeito à retração por secagem no intervalo de umidade relativa de 40% a 100%, a teoria da tensão capilar é dominante. De acordo com esta teoria, a retração por secagem é causada pela tensão capilar que ocorre na água existente nos poros da pasta de cimento. O estresse devido a tensão capilar no concreto é comandada pelo volume dos poros e da distribuição de tamanho
destes poros. A uma umidade relativa inferior a 40%, a retração por secagem é causada principalmente por perda de água estrutural e água adsorvida na pasta de cimento (Chandra e Berntsson, 2002). Os concretos com agregados leves são mais suscetíveis aos efeitos desses fenômenos, pois segundo Rossignolo (2009) para o mesmo nível de resistência à compressão, os concretos leves apresentam retração maior do que os concretos convencionais, devido aos agregados leves não oferecerem pouca restrição a essas movimentações exercidas pela pasta de cimento.
Em estudo feito por Rossignolo e Agnesini (2001), em concretos leves feitos com argila expandida brasileira, foram observados valores que variavam de 600.10-6 a 800.10-6 m/m para a retração por secagem aos 448 dias (Rossignolo, 2009).
No que diz respeito ao mecanismo de fluência do concreto, uma grande parte do mecanismo pode ser explicado pela teoria visco-elástica. Esta teoria considera que a pasta de cimento é um material compósito que consiste em uma estrutura sólida e um visco-líquido de enchimento dos poros da pasta de cimento e que a fluência é uma deformação elástica da primeira, retardado pela resistência da viscosidade da segunda. Por conseguinte, considera-se que as estruturas de poros na pasta de cimento, ou seja, o volume de poros e a distribuição da dimensão dos poros são estreitamente relacionados, não só a retração por secagem, mas também a fluência do concreto. Segundo Mehta e Monteiro (2008), em relação a concretos convencionais, o concreto com agregados leves, devido a grande movimentação da água, tem uma retração por secagem maior (tipicamente 800.10-6 m/m), e
uma fluência consideravelmente mais alta (tipicamente 1600.10-6). Isto ocorre devido a
uma influência muito maior do módulo de elasticidade e da resistência à compressão baixos do que pela retração por secagem. Para se diminuir estes efeitos, pode-se substituir parcial ou integralmente o agregado leve miúdo por areia natural, conforme demonstram os resultados de experimentos mostrados na figura 10. A maior deformabilidade do concreto leve, proporcionada pelo módulo de elasticidade mais baixo e fluência mais alta, evita a fissuração da retração por secagem mesmo com a baixa resistência aos esforços de tração (2 a 3 MPa).
Figura 10- Efeitos da substituição do agregado miúdo leve por areia natural: (a) fluência; (b) retração por secagem. Fonte: Mehta e Monteiro (2008)
3.3.6 Durabilidade
É comum a idéia de que, o uso dos agregados porosos em concreto aumenta a sua suscetibilidade a agentes agressivos por meio de uma maior permeabilidade aos fluidos. Quando se estuda a durabilidade dos concretos, deve-se ater a estrutura porosa, porque nem sempre a presença dos poros significa que esta estrutura seja permeável. O que pode tornar uma estrutura porosa permeável é a conectividade dos poros, ou seja, se esses poros são abertos uns para os outros ou não. Então concretos mais porosos não significa que sejam mais permeáveis e consequentemente tenham uma durabilidade menor (Rossignolo, 2009). O agregado leve é o principal responsável pela porosidade do concreto leve, e a característica de ser poroso mais não permeável é apresentada por Moravia et al.(2006) por meio de micrografias obtidas pelo MEV (figura 11), onde percebe-se a superfície externa do agregado mais lisa e pode-se visualizar a superfície interna com uma porosidade maior, mas sem interconectividade entre os poros.
Figura 11- Imagens por MEV da argila expandida: (a) superfície externa (300X); (b) superfície interna (300X); (c) superfície externa (1200X). Fonte: Moravia et al.(2006).
Embora o concreto leve seco ao ar tenda a apresentar um maior grau de absorção de umidade, sua permeabilidade é baixa. Portanto sua durabilidade diante de soluções químicas agressivas é boa. A baixa permeabilidade e excelente durabilidade do concreto leve são devido à baixa fissuração da zona de transição entre a pasta de cimento e o agregado leve. Isso ocorre como já mencionado anteriormente, devido às semelhanças entre os módulos de elasticidade da pasta de cimento e do agregado leve. Também a reação pozolânica dos minerais argilosos termicamente ativados na superfície dos agregados leves e hidróxido de cálcio da pasta de cimento, tornam a zona de transição mais densa (Mehta e Monteiro, 2008).
4
CONCRETO AUTOADENSÁVEL – CAA
Após a descoberta dos aditivos para concreto nos anos 70, o que foi considerado uma das maiores revoluções na forma de se construir, como já exposto anteriormente para diversos autores, o CAA é considerado como sendo uma das grandes evoluções tecnológicas do concreto, e tem sido alvo de muitos estudos tanto no que se refere as suas características básicas quanto na utilização e influência de novos materiais e aditivos em sua composição (Nikbin et al., 2014; Sehata et al, 2012; Ranjbar et al., 2011).
Para Tutikian e Dal Molin (2008), apesar de o concreto ser o material mais utilizado na construção mundial, não podemos nos ater somente ao estudo do concreto convencional (CCV). As exigências do mercado e as técnicas construtivas, demandam concretos com características especiais, como os concretos de alta resistência, de alto desempenho, com fibras, altos teores de adições pozolânicas, aparentes, coloridos entre outros. No Japão surge em 1988, o concreto autoadensável (CAA).
Diversas publicações, dentre elas: Tutikian e Dal Molin (2008); EFNARC (2002); Gomes et al. (2003b); Coppola (2000); De La Peña (2001); Proske e Graubner (2014), salientam sobre as vantagens que o CAA apresenta, tais como:
maior velocidade de construção, devido ao lançamento rápido e sem necessidade de adensamento;
diminuição da mão de obra no canteiro, devido à facilidade no nivelamento e espalhamento, por não ser vibrado;
melhora o acabamento final da superfície;
pode aumentar a durabilidade, pois é facilmente adensado, diminuindo as falhas de concretagem ocasionadas pelo excesso ou falta de vibração;
facilita a execução de projetos com maior liberdade de formas e dimensões, pois preenche espaços menores mais facilmente;
diminui os riscos de acidente de trabalho durante a concretagem, pela diminuição do número de trabalhadores para sua execução;
pode ter um ganho ecológico, não só pela diminuição de ruídos como pela alta utilização de finos, que em boa parte são resíduos industriais;
e levando-se em conta todos os itens citados também contribui para um ganho econômico.
4.1. Definição
Segundo Metha e Monteiro (2008), as misturas para concreto de alta resistência e densamente armadas, atendem perfeitamente as necessidades da indústria de construção para os concretos mais dúcteis e resistentes, porém, as dificuldades de execução de peças de concreto densamente armadas exigem misturas frescas de concreto bem fluídas. Estas misturas se tornaram possíveis com o surgimento dos superplastificantes, que sem o uso excessivo de água, permitem abatimentos em torno de 200 a 250 mm.
Pesquisas pioneiras na Itália, Alemanha e Japão, no final da década de 70 e começo da de 80, levaram ao desenvolvimento de misturas de concreto de alta trabalhabilidade, conhecidas comercialmente por vários nomes, como concreto autoadensável, autocompactável, autonivelante e reoplástico (Metha e Monteiro, 2008).
Ainda, segundo Metha e Monteiro (2008), defini-se concreto autoadensável como o concreto fluido que pode ser aplicado in loco sem a utilização de vibradores para formar um produto livre de vazios (sem espaços não preenchidos no interior da forma) e falhas (sem ar aprisionado).
Com base em Okamura (1997), Gomes (2002) apud Gomes e Barros (2009) e EFENARC (2005), podemos definir CAA como, um concreto que pode ser compactado em todo canto de uma forma, ou seja, capaz de preenchê-la totalmente só pela atuação de seu peso próprio, alcançando assim um adensamento que não afete negativamente a resistência e durabilidade desejadas, mesmo em estruturas com alta densidade de armadura e formas complexas, sem a necessidade de utilização de equipamentos para adensá-lo.
