SUA INFLUÊNCIA NA DURABILIDADE – ESTADO DA ARTE
T. A. C. SANTOS P. B. COUTO E. F. SILVA
Mestranda Engª. Civil Mestrando Engo. Civil Profª. Drª. Engª. Civil
PECC - UnB PECC - UnB PECC - UnB
Brasília, Brasil Brasília, Brasil Brasília, Brasil
thyalacunha@gmail.com pablo_bcouto@hotmail.com eugenia@unb.br
RESUMO
Diversas pesquisas têm se destacado a cerca dos Concretos de Alto Desempenho (CAD). Entretanto, sua baixa relação água/cimento e densa microestrutura dificultam o transporte de água de cura, sendo ineficazes os processos convencionais. Neste âmbito, os Polímeros Superabsorventes – PSA tem grande influência, devido à sua capacidade de absorver e liberar grandes quantidades de água (cura interna), evitando a autodessecação e o surgimento das tensões de tração responsáveis pela retração autógena. Porém, o PSA pode modificar o desempenho do concreto ao interferir em propriedades tais como permeabilidade, resistência ao ciclo gelo-degelo etc. O presente trabalho objetiva, através do estado da arte, contribuir para o desenvolvimento tecnológico deste material inovador, sobretudo no Brasil, onde ainda é pouco estudado e difundido, permitindo seu emprego em obras reais num futuro próximo.
1. INTRODUÇÃO
Para Jensen e Hansen [1], os concretos de alto desempenho (CAD) são aqueles que apresentam boas características quanto à trabalhabilidade no estado fresco, resistência e durabilidade devido a sua microestrutura mais densa. No entanto, estes tipos de concreto mostram algumas pioras em suas propriedades motivadas pela retração autógena. Os polímeros superabsorventes (PSA), através de sua capacidade de absorver grandes quantidades de água e posteriormente liberá-la, acabam por trazer benefícios aos materiais à base de cimento. Segundo Pourjavadi et al. [2] após a liberação gradual da água absorvida durante a hidratação do cimento, estes polímeros melhoram consideravelmente as propriedades dos materiais cimentícios por reduzir a auto-dessecação, a retração autógena, e consequentemente a fissuração.
Partindo do documento publicado pela RILEM – Réunion Internationale des Laboratoires et Experts des Matériaux, em 2012, entitulado TC 225 SAP – Aplication of Superabsorbent Polymers (SAP) in Concrete Construction, busca-se uma revisão do estado da arte acerca do Polímero Superabsorvente (PSA), sua interferência nas demais propriedades do material e como estas influenciam a durabilidade. Na publicação acima, Reinhardt e Assmann [3] abordam que a durabilidade de um concreto baseia-se na resistência contra as influências ambientais, como a ação do congelamento, a penetração de cloretos, álcalis e dióxido de carbono, ataques ácidos, permeabilidade, ação da temperatura e outros. Alguns destes estudos serão apresentados no decorrer deste trabalho.
2. MATERIAIS
2.1 O concreto de alto desempenho
De acordo com Mehta e Monteiro [4], o termo Concreto de Alto Desempenho (CAD) foi introduzido por Mehta e Aitcin em 1990 para misturas que possuem as três propriedades a seguir: alta trabalhabilidade, alta resistência e alta durabilidade. No entanto, o ACI – Technical Activities Committtee [5] define o CAD como um material que atende a uma combinação de desempenho e durabilidade que não pode ser atingida rotineiramente com o uso de materiais e técnicas convencionais.
Segundo Kumm [6], estes materiais destacam-se pela boa trabalhabilidade, alta resistência, baixa porosidade, dentre outras características. Para atingi-las são utilizados aditivos superplastificantes, adições minerais, altos consumos de cimento, baixas relações água/cimento e frequentemente cimentos mais finos. Estas particularidades conferem ao CAD uma estrutura de poros notavelmente refinada e descontínua. Sabe-se que quanto menor a relação água/cimento, menores os diâmetros dos poros da matriz cimentícia, e que quanto menores os diâmetros dos capilares, maiores as tensões a que estão suscetíveis. Deste modo, as tensões de tração nestes materiais podem ser de tal ordem que superem a resistência da matriz cimentícia, podendo causar ruptura do material e queda do seu desempenho. Em suma, um concreto dosado para oferecer desempenho superior ao dos concretos convencionais pode ter suas vantagens sacrificadas pelo fenômeno da retração autógena.
2.1.1 O fenômeno da retração autógena no CAD
A ocorrência de fissuras nas primeiras idades está relacionada com variações volumétricas oriundas do gradiente térmico das reações de hidratação, da retração autógena e da retração por secagem, e constituem um sério problema para estruturas de concreto [7]. A retração autógena pode ser definida como a redução macroscópica dos materiais cimentícios após o início da pega, em condições de isolamento específicas, sem que ocorra mudança de volume devido à perda ou ao ingresso de substâncias, variação da temperatura ou aplicações de forças externas [8].
A partir de certo grau de hidratação (patamar de percolação) o concreto torna-se rígido, restringindo as variações volumétricas e tornando-as incompatíveis com as deformações admissíveis no esqueleto mineral recém-formado. O volume de ar presente no interior dos poros aumenta devido ao fato do volume dos materiais reagentes ser maior que o volume dos produtos de hidratação, e também pelo consumo da água para a formação dos hidratos. Isto induz o aparecimento de tensão capilar no interior destes poros, parcialmente saturados, causando o estreitamento do mesmo, de forma a aproximar as partículas de cimento. Este fenômeno é chamado de retração autógena e é provocado pela autodessecação.
Holt e Leivo [9] observaram que os processos de autodessecação e retração química atuam de forma diferente: autodessecação causa (longo prazo) retração autógena devido a reduções na umidade relativa interna durante a hidratação, já a retração química é devido aos produtos de hidratação tem volume menor do que os produtos iniciais. Rojas [10] coloca que a autodessecação refere-se ao mecanismo da variação da depressão capilar promovido entre as superfícies de água e ar no interior dos poros, onde se estabelece um gradiente de pressão, formando um menisco. Uma vez formado o menisco, uma pressão negativa é induzida sobre as paredes dos capilares tendendo a aproximá-las. Segundo Silva [11], nos concretos de baixa relação água/cimento o fenômeno é mais pronunciado, pois a quantidade de água é insuficiente para completar os processos de hidratação. Isto gera uma queda considerável na umidade dos poros da pasta de cimento, o que diminui o raio dos meniscos provocados pela interação sólido/água/ar nos poros. Quanto menor o raio, maiores serão as forças de tração exercidas na água e, consequentemente, têm-se o aumento das forças de compressão no esqueleto sólido recém-formado, para compensar as forças de tração na fase fluida, o que resulta na redução de volume de todo sistema. Rojas [10] completa que, como as estruturas têm uma ou mais formas de restrição, o risco de fissuração no CAD é maior, sobretudo nas idades iniciais, podendo comprometer sua resistência, durabilidade e estética.
Os métodos convencionais podem não contribuir substancialmente para mitigação da retração autógena do concreto com uma baixa relação água/cimento, mesmo se aplicada cura úmida intensiva. Em contraste com a retração por secagem, que ocorre devido à perda de água na superfície dos elementos, a retração autógena ocorre sobre todo o volume de concreto, não bastando um tratamento superficial. Além disso, a microestrutura do concreto de alta resistência é muito densa mesmo em idades precoces, o que dificulta o transporte eficiente e rápido da água de cura para
o seu interior. Assim, tem sido proposta a utilização de materiais com alta capacidade de armazenamento de água como agentes de cura interna, de forma a fornecer a água necessária para a matriz circundante, evitando a autodessecação [12].
Segundo Soliman e Nehdi [13] o agregado leve saturado e o Polímero Superabsorvente (PSA) são agentes de mitigação da retração autógena similares, porém o PSA têm se mostrado um dos mais eficientes na redução ou até eliminação da retração autógena, o que em muito contribui para a durabilidade do concreto.
2.2 O polímero superabsorvente
Os Polímeros Superabsorventes (PSA) são classificados como hidrogéis com capacidade de absorver grandes quantidades de água sem se dissolver, com ampla utilização em materiais à base de cimento [14].
Estes polímeros podem absorver líquidos, geralmente em quantidade maior que seu próprio peso, através da formação de um gel onde o líquido absorvido não é liberado mesmo sob pressão, mas sim conforme varia a umidade relativa do ambiente onde ele se encontra. A absorção de um PSA pode chegar a 5000 vezes o seu próprio peso. No entanto, em soluções salinas diluídas, a capacidade de absorção destes produzidos comercialmente é cerca de 50 g/g. A água migra para o interior do PSA por pressão osmótica, pois a concentração de íons dentro dele é maior do que fora, e à medida que, externamente, o número de íons aumenta há uma redução da pressão interna e, consequente, redução do inchaço do gel [15].
A figura 1 mostra a cinética de hidratação do PSA em função do tempo. Ao absorver a água de mistura, o polímero aumenta seu volume e forma vazios esféricos cheios de água, ligados por forças de van-der-Waals. Posteriormente, a água é liberada para a matriz de concreto e as cavidades permanecem como vazios. A distribuição do tamanho das partículas e a absorção de água dos polímeros determinam a porosidade, a conectividade e a durabilidade de concretos com PSA [16].
Figura 1: Representação esquemática da evolução do PSA em meio cimentício em função do tempo; na esquerda, a condição inicial de dispersão homogênea de partículas de PSA, cimento, agregado e água; no centro, a partícula de PSA alcança sua absorção máxima; à direita, a água é cedida para a matriz de cimento e o PSA reduz de tamanho, tornando o
poro vazio [adaptado, 17].
Para Wyrzykowski e Lura [18], o PSA tem sido aplicado na tecnologia do concreto, por exemplo, para melhorar a resistência ao gelo-degelo, modificação de reologia, controle de fissuras, na cura interna do concreto e para reduzir o coeficiente de expansão térmica. Segundo Rojas [10], entre as várias aplicações do PSA como fabricação de produtos de higiene, tratamento de solo, fabricação de produtos ornamentais, e embalagem de alimentos, este também tem sua utilização na engenharia civil. Seu uso se dá em materiais cimentícios, agindo na cura interna do concreto, evitando a retração autógena e promovendo a redistribuição da água capilar através de inclusões artificiais de macroporos cheios de água a fim de melhorar a durabilidade do concreto.
3. DURABILIDADE
O transporte de líquidos e gases é necessário para a deterioração das estruturas de concreto, isto é, para que ocorra a corrosão das armaduras, a reação álcali-sílica, lixiviação ou danos devido à ação do gelo-degelo. Logo, para avaliar a resistência do concreto contra diversos ataques é de interesse primordial conhecer as propriedades de transporte em
meio ao concreto. A seguir, serão abordados os efeitos proporcionados pelo PSA nas propriedades de durabilidade tais como permeabilidade ao ar e à água, sucção capilar, resistência ao gelo, migração de cloretos e sua aplicação como material selante [3].
3.1 Permeabilidade
Segundo Reinhardt e Assmann [3], a melhora na distribuição do tamanho das partículas devido ao PSA causa um decréscimo na permeabilidade. Na verdade, o número total de poros é praticamente o mesmo, mas os poros maiores do PSA parecem gerar uma maior densidade da microestrutura que poros menores, pois a estrutura formada não é contínua. Portanto, quanto maior os poros, com a mesma porosidade total, menos acessíveis ao ar e outros fluídos. Outra razão é que poros maiores tornem-se mais densos, pois melhoram o abastecimento de água à pasta de cimento circundante, acompanhado por um crescimento dos produtos de hidratação. Os coeficientes de permeabilidade determinados concordam com valores indicados por Grube [19]. Mantidas as amostras nas mesmas condições, pode-se antecipar que as misturas com PSA mostram menores valores de permeabilidade devido ao retardo da autodessecação em relação às misturas de referência. Eles observaram que a permeabilidade a água diminui com o tempo. Algumas razões são a reatividade da água com partículas de cimento não hidratados e o aumento do volume dos sólidos, aumentando a densidade da matriz. Os resultados após 24 horas confirmam a tendência deduzida a partir de medições de permeabilidade ao ar: aumento crescente do tamanho das partículas de PSA provoca menor permeabilidade.
No caso de absorção de água das amostras de concreto seco, a sucção capilar é o mecanismo de transporte mais importante. Uma extensão do tempo de cura causa uma pequena diminuição na absorção de água por sucção capilar. Em geral, os resultados das misturas contendo PSA mostram a mesma tendência observada a partir de testes de permeabilidade: sua adição causa a densificação da matriz e conduz a uma menor porosidade capilar. Um elevado número de pequenas partículas cria uma estrutura porosa interligada que absorve água mais facilmente do que uma estrutura causada por um número pequeno de partículas maiores. Os poros capilares são menores que os poros do PSA, com diâmetro de 10-5 a 0,1 mm. Como a ascensão capilar é inversamente proporcional ao raio do poro, em poros maiores (>0,1 mm) a ação capilar diminui. Consequentemente, PSAs com poros maiores não são relevantes para sucção capilar. A absorção de água tende a se estabilizar ao longo do tempo. As razões são as mesmas para a permeabilidade à água mencionada: a agua reage com as partículas não hidratadas de cimento e provoca a densificação da matriz. Em segundo lugar há um aumento de volume de sólidos ao entrar em contato com a água [3].
De acordo com Snoeck e Belie [20], as misturas com PSA mostram menos porosidade capilar e mais gel de cimento do que uma argamassa sem PSA. A água libertada a partir do polímero estimula a hidratação continuada, a diminuição da porosidade e causa assim uma densificação da matriz de cimento.
3.2 Resistência ao gelo-degelo
Reinhardt et al. [21] avaliaram alguns teores de PSA em ensaios, seguindo as recomendações da RILEM, e sua influência em concretos submetidos a situações de gelo e degelo. Em seus estudos obtiveram resultados relevantes em misturas com adição de PSA, que resistiram a 56 ciclos de congelamento e descongelamento, apresentando desplacamento abaixo do limite permitido ao ensaio.
O desplacamento é a deterioração da superfície do concreto devido ao congelamento e descongelamento. Agentes de descongelamento como o cloreto de sódio, agravam o quadro. Incorporadores de ar são muito eficientes, e o PSA pode atuar de forma semelhante [3]. O limite para o desplacamento do concreto devido ao gelo-degelo é de 1500 g/cm2 após 28 dias, de acordo com a RILEM [22].
Foi observado que as misturas de referência não satisfazem este critério, enquanto todas as misturas contendo PSA situam-se abaixo do limite estabelecido (aproximadamente 500g/m2). A norma sueca SS 137.244 classifica o concreto como "BOM" se o desplacamento é menor que 0,2 kg/m² e "MUITO BOM" quando ele é de apenas 0,1 kg/m². Os concretos modificados com PSA classificaram-se como "BOM", e três deles como "MUITO BOM". Todos os Concretos de referência não apresentam desempenho satisfatório [21].
Mӧnning e Lura [23] compararam o desplacamento devido ao gelo-degelo após 28 ciclos em amostras contendo PSA e de refêrencia, e concluiram que o desplacamento de amostras contendo PSA é cerca de 25 a 30% menor que o das amostras de referência, o que confirma sua contribuição para a durabilidade.
Ainda segundo Reinhardt et al. [21], é possível duas explicações para o efeito da adição do PSA ao concreto: interação dos PSAs com o superplastificante ou a presença de pequenas bolhas de ar se aderindo aos PSAs durante a mistura. Futuras pesquisas irão investigar este aspecto em particular.
De acordo com Laustsen et al. [24], outros estudos observaram que a adição de PSA aumenta a resistência do concreto ao ciclo de gelo e degelo. No entanto, esta melhora pode ser um resultado do ar incorporado adicional, em vez de ser um resultado direto dos vazios criados pela adição de PSA. Portanto é necessário testar os vazios provenientes do PSA sozinhos e avaliar seu comportamento. O que ocasiona esta dúvida é o frequente uso de aditivos redutores de água e seu mecanismo de atuação à base de tensoativos. Eles são os responsáveis por parte do conteúdo de ar no interior dos concretos. Para eles, o ar incorporado pelo tensoativo mostrou ser decisivo para avaliação da resistência ao gelo e degelo. No entanto, outras propriedades do concreto também são influenciadas pelo conteúdo de ar incorporado. Como exemplo o teor de ar no interior do concreto interfere consideravelmente na reologia e na resistência. Por fim mostraram que os vazios gerados pelo PSA e pelo ar incorporado parecem ser semelhantes quanto à influência das propriedades dos concretos.
3.3 Penetração de cloretos e carbonatação
Diversos pesquisadores observaram a relação da permeabilidade aos cloretos com a idade e a relação a/c de modo que, quanto maior o primeiro e menor o último, menor será a permeabilidade aos cloretos. Estes conceitos são importantes para compreender o que ocorrerá ao concreto ao ser adicionado polímero superabsorvente (PSA), embora não seja tão simples.
Nos ensaios realizados por Reinhardt e Assmann [3], a migração de cloretos foi determinada com o teste de migração rápida descrito e desenvolvido por Tang, e os resultados obtidos estão dentro da faixa de valores encontrados na literatura.
Para Hasholt e Jensen [25], a adição de PSA contribui para o aumento do grau de hidratação, assim a fase pasta será mais densa, a rede de poros será mais tortuosa e com poros desconectados. Isto sugere que o transporte de íons seja reduzido. Porém o PSA contribui para o preenchimento dos poros capilares com água, como o transporte de íons ocorre principalmente em água capilar, isso pode sugerir que o PSA aumente o transporte de íons. As medições do transporte de cloretos mostram que em concretos saturados, a cura interna proporcionada pelo PSA reduz o ingresso de cloretos. Neste estudo a adição dos polímeros influencia nas propriedades de transporte, mas a adição de PSA também tem um efeito de acelerar a hidratação do cimento quando é adicionada a água que será absorvida pelo polímero na mistura do concreto fresco. Assim a hidratação acaba sendo controlada pela relação a/c total e não pela inicial. Para Justs et al. [26], uma vez que há o aumento da água incorporada no interior do concreto proveniente do PSA, o grau de hidratação avança da mesma forma, como se tivesse aumentado a relação a/c do material.
Beushausen et al. [27] realizaram a medição da difusão em massa de argamassas com sílica ativa e PSA, e os valores medidos situam-se na faixa esperada para os espécimes de argamassas com relação a/c de 0,45 e 0,55. A partir dos resultados de Indice de Condutividade de Cloreto (ICC), concluiram que, para ambas relações a/c, foi observada uma redução significativa no coeficiente de difusão com o aumento do teor de PSA.
No caso da carbonatação, ensaios realizados por Beushausen et al. [20] em misturas com relação a/c de 0,55 contendo sílica ativa e PSA, após 6 semanas de exposição, houve uma redução significativa da profundidade de carbonatação com o aumento do teor de PSA. Em comparação com a argamassa de referência, o teor de PSA de 0,4% apresentou metade da profundidade de carbonatação das amostras de referência, sendo que teores maiores que este não resultaram em mais melhorias. A melhora na resistência à carbonatação com o aumento do PSA ocorre devido a melhor microestrutura, principalmente em amostras com elevada relação a/c. Em argamassas com relação a/c menores, que já apresentam bons resultados devido à baixa porosidade, a melhoria devido à adição do PSA é menos pronunciada. 3.4 Capacidade selante
Snoeck et al. [28] estudaram a capacidade do PSA de selar fissuras em amostras de concreto por meio de radiografia de nêutrons (técnica de ensaio não destrutivo para determinar a distribuição e a profundidade de penetração de água em fissuras como uma função de tempo e com alta resolução), para visualizar e quantificar a penetração de água no
concreto através de fissuras. Quando líquidos são introduzidos em uma fissura, as partículas de PSA ao longo das suas faces incham e bloqueiam as mesmas. Isso se reflete em uma diminuição da permeabilidade da água através da fissura, como resultado da capacidade de inchamento do polímero. Foi observado, por meio de ensaio de permeabilidade, que todo o fluido colocado em uma face da amostra sem adição de PSA a atravessou após 40 segundos, enquanto as amostras contendo teores variáveis de PSA, a altura de penetração de água foi bem menor, mesmo após 4 horas de ensaio de absorção de água. Assim, concluiram que o PSA se mostrou capaz de fechar a malha porosa devido ao inchaço das partículas na superfície. Partindo do princípio de que os macroporos formados pelo PSA não estão interligados e constituem esferas perfeitas, a quantidade de PSA necessário para vedar uma fissura pode ser estimada. Se a expansão do PSA no concreto é conhecida, a partir de sua absorção e diâmetro é possível prever o seu tamanho final. A formação de produtos de hidratação devido à libertação de água enche parcialmente os macroporos formados, de onde surgem as fissuras. Dado que as amostras contendo PSA têm uma matriz mais densa, o seu coeficiente de penetração é menor do que as amostras de referência.
O coeficiente de penetração também pode ser comparado com o trabalho de Reinhardt e Assmann [29], cujos valores são praticamente os mesmos para amostras com PSA e relação a/c de 0,5. Conclui-se que, quando o PSA é adicionado ao concreto, não apenas a absorção de água por capilaridade, mas também a permeabilidade diminui. Desta forma, substâncias nocivas dissolvidas nos líquidos irão ter dificuldades para penetrar a estrutura. Partículas de PSA são, portanto, capazes de reter o líquido dentro de sua estrutura e selar fissuras de forma autônoma.
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O PSA é adicionado ao concreto de forma a reduzir a retração autógena, porém pode ter influência nas demais propriedades do material. O estudo mostra que a adição de PSA resulta em melhorias significantes nas propriedades de durabilidade do concreto, uma vez que proporciona uma microestrutura mais densa, com a presença de poros maiores e desconectados ao invés de poros menores e contínuos. Uma das razões para este fenômeno é a água adicional liberada pelo polímero no seu interior, além do aumento do teor de ar incorporado.
Isso se traduz em benefícios atestados ao longo deste trabalho, tais como permeabilidade ao ar e à água, penetracão de cloretos e carbonatação. No caso da resistência aos ciclos de gelo-degelo, o incremento dos poros desconectados possibilitam menores desplacamentos devido à expansão da água durante o congelamento.
Estudos recentes, inclusive no Brasil, mostram ainda a capacidade do PSA de selar fissuras. Ao absorver água, ele transforma-se num gel impermeável capaz de promover o preenchimento pelo fenômeno chamado gel blocking. Logo, são notáveis os benefícios proporcionados pelo PSA no concreto, principamente no que tange a durabilidade, possibilitando a aplicação potencial deste material inovador na indústria de construção civil mundial.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à Universisade de Brasília pelo apoio, ao CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) e à CAPES (Coordenação de Aperfeicoamento de Pessoal de Nível Superior), pelo suporte financeiro para desenvolvimento da pesquisa.
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