UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA

(1)

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E

ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM

Formação: Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR

Helena Ravache Samy Pereira Schumacher

CARACTERIZAÇÃO DO CONCRETO CONVENCIONAL COM PÓ

DE PEDRA EM SUBSTITUIÇÃO PARCIAL A AREIA NATURAL

Apresentada em 18 / 12 / 2007 Perante a Banca Examinadora:

Dr. Luiz Veriano Oliveira Dalla Valentina - Presidente (UDESC)

Dr. César Edil da Costa (UDESC)

(2)

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA

E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGEM

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

Mestrando: HELENA RAVACHE SAMY PEREIRA SCHUMACHER –

Engenheira Civil

Orientador: Prof. Dr. LUIZ VERIANO OLIVEIRA DALLA VALENTINA

CCT/UDESC – JOINVILLE

CARACTERIZAÇÃO DO CONCRETO CONVENCIONAL COM PÓ

DE PEDRA EM SUBSTITUIÇÃO PARCIAL A AREIA NATURAL

DISSERTAÇÃO

APRESENTADA

PARA

OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM

CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS DA

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA

CATARINA,

CENTRO

DE

CIÊNCIAS

TECNOLÓGICAS – CCT, ORIENTADA PELO

PROF. DR. LUIZ VERIANO OLIVEIRA DALLA

VALENTINA

(3)

iii

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

COORDENAÇÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO - CPG

"Caracterização do concreto convencional com pó de pedra em

substituição parcial a areia natural"

por

Helena Ravache Samy Pereira Schumacher

Essa dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de

MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

na área de concentração "

Cerâmica

", e aprovada em sua forma final pelo

CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA

Dr. Luiz Veriano Oliveira Dalla Valentina (presidente)

Banca Examinadora:

Dr. César Edil da Costa

UDESC/SC

Dr. Masahiro Tomiyama UDESC/SC

(4)

FICHA CATALOGRÁFICA

NOME

: SCHUMACHER, Helena Ravache Samy Pereira Schumacher

DATA DEFESA:

18/12/2007

LOCAL:

Joinville, CCT/UDESC

NÍVEL

: Mestrado Número de ordem:

90 – CCT/UDESC

FORMAÇÃO

: Ciência e Engenharia de Materiais

ÁREA DE CONCENTRAÇÃO

: Cerâmica

TÍTULO:

Caracterização do concreto convencional com pó de pedra em substituição parcial a areia

natural

PALAVRAS - CHAVE

: Concreto, agregado e pó de pedra.

NÚMERO DE PÁGINAS

: 89 p.

CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC

PROGRAMA: Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM

CADASTRO CAPES:

4100201001P-9

ORIENTADOR

: Dr. Luiz V. Dalla Valentina

PRESIDENTE DA BANCA

: Dr. Luiz Veriano Oliveira Dalla Valentina

MEMBROS DA BANCA

: Dr. César Edil da Costa, Dr. Masahiro Tomiyama e Dra. Daniela

(5)

v

(6)

AGRADECIMENTOS

Ao professor Dr. Luiz V. O. Dalla Valentina, meu orientador e amigo, pelo

incentivo e motivação em tantas conversas e momentos de alegrias e tristezas em

todas as etapas desta pesquisa.

Aos professores do Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de

Materiais da Universidade do Estado de Santa Catarina, que de forma direta ou

indireta contribuíram para a realização deste trabalho.

À professora Dra. Marilena V. Folgueras, pela sua importante colaboração na

elaboração deste trabalho e pela ajuda em todos os momentos difíceis.

À Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC e ao Programa de

Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PGCEM pela realização do

presente trabalho.

Ao Laboratório de Caracterização de Materiais do Departamento de Engenharia

Mecânica onde foram realizadas as análises de microestrutura e composição

mineralógica dos materiais.

Ao Laboratório de Materiais de Construção do Departamento de Engenharia Civil

onde foram realizados a maioria dos ensaios.

À bolsista Carine Cardoso dos Santos, pela sua preciosa ajuda nos ensaios de

laboratório.

(7)

vii

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 Etapas do processo de fabricação do cimento Portalnd... 05

Figura 2.2 Principais fases do cimento Portland... 07

Figura 3.1 Comparação entre as classes de materiais granulares segundo várias normas... 15

Figura 3.2 Teor de umidade e absorção... 17

Figura 3.3 Exemplos de curvas granulométricas... 18

Figura 3.4 Fluxograma esquemático de uma pedreira... 22

Figura 4.1 Combinações possíveis do planejamento fatorial 32_... ₃₁

Figura 5.1 Ensaio de Los Ángeles... 37

Figura 5.2 Ensaio de abatimento do tronco de cone... 47

Figura 6.1 Curva granulométrica da areia de rio... 52

Figura 6.2 Curva granulométrica do pó de pedra gnaisse... 53

Figura 6.3 Curva granulométrica da mistura com 15 % de pó de pedra... 54

Figura 6.4 Curva granulométrica da mistura com 30 % de pó de pedra... 55

Figura 6.5 Curva granulométrica da brita... 56

Figura 6.6 Frações granulométricas da brita: (a) areia de rio e (b) pó de pedra gnaisse... 59

Figura 6.7 Forma e textura dos grãos grossos do agregado miúdo: (a) areia de rio e (b) pó de pedra gnaisse... 59

Figura 6.8 Forma e textura dos grãos médios do agregado miúdo: (a) areia de rio e (b) pó de pedra gnaisse... 60

Figura 6.9 Forma e textura dos grãos finos do agregado miúdo: (a) areia de rio e (b) pó de pedra gnaisse... 60

Figura 6.10 Forma e textura dos grãos muito finos do agregado miúdo: (a) areia de rio e (b) pó de pedra gnaisse... 61

Figura 6.11 Forma e textura da brita proveniente de rocha gnaisse... 62

Figura 6.12 Rocha gnáissica... 62

Figura 6.13 Difratograma de raios-X da areia de rio... 63

Figura 6.14 Difratograma de raios-X do pó de pedra... 64

Figura 6.15 Resistência à compressão... 70

Figura 6.16 Influência do fator A/C sobre a resistência à compressão a 7 dias... 71

(8)

Figura 6.18 Influência da interação da porcentagem de pó de pedra com o fator A/C sobre a resistência à compressão a 7 dias...

72

Figura 6.19 Influência do fator A/C sobre a resistência à compressão a 28 dias... 73

Figura 6.20 Influência da porcentagem de pó de pedra sobre a resistência à compressão a 28 dias... 73 Figura 6.21 Influência da interação da porcentagem de pó de pedra com o fator A/C sobre a

resistência à compr74essão a 28 dias... 73 Figura 6.22 Gráfico de curvas de nível da resistência à compressão a 7 dias (MPa)... 74

Figura 6.23 Gráfico de curvas de nível da resistência à compressão a 28 dias (MPa)... 74 Figura 6.24 Gráfico de probabilidade normal dos resíduos para o modelo de análise da resistência à

compressão a 7 dias... 75 Figura 6.25 Gráfico de probabilidade normal dos resíduos para o modelo de análise da resistência à

compressão a 28 dias... 75 Figura 6.26 Microestrutura do concreto: (a) apresentando a textura do agregado e da matriz e (b) a

rugosidade do agregado graúdo... 76

Figura 6.27 Microestrutura do concreto: (a) apresentando a má aderência entre o agregado graúdo e a matriz e (b) a má aderência entre o agregado graúdo e a matriz e porosidade... 77 Figura 6.28 Agregados de silicato de cálcio hidratado (C-H-S): (a) em amostra com fator A/C 0,56,

(b) em amostra com fator A/C 0,54 e (c) em amostra com fator A/C 0,52... 78 Figura 6.29 Cristais de hidróxido de cálcio: (a) em amostra com fator A/C 0,56 e (b) em amostra com

fator A/C 0,52... 78 Figura 6.30 Formação de etringita: (a) em amostra com fator A/C 0,54 e (b) em amostra com fator

A/C 0,52... 79

Figura 6.31 Pozolanas: (a) em amostra com fator A/C 0,56 e (b) em amostra com fator A/C 0,54 ... ... 79

(9)

ix

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 Principais compostos do cimento Portland... 05

Tabela 2.2 Resistência média do concreto em MPa em função da relação A/C para vários tipos de cimentos brasileiros... 10

Tabela 2.3 Índices de expressão de previsão do módulo de elasticidade do concreto... 12

Tabela 3.1 Classificação da forma das partículas dos agregados... 19

Tabela 3.2 Textura superficial dos agregados... 20

Tabela 4.1 Arranjo dos dados para um planejamento fatorial com dois fatores... ₂₉

Tabela 4.2 Tabela de análise de variância para um fatorial com dois fatores, modelo de efeitos fixos.. ₃₀

Tabela 5.1 Etapas da pesquisa... 33

Tabela 5.2 Ensaios físicos do cimento CP-II-Z-32... 42

Tabela 5.3 Ensaios químicos do cimento CP-II-Z-32... 42

Tabela 5.4 Combinações possíveis no planejamento de experimentos utilizado... 44

Tabela 5.5 Seqüência da mistura... 45

Tabela 6.1 Distribuição granulométrica da areia de rio... ₅₂

Tabela 6.2 Distribuição granulométrica do pó de pedra gnaisse... ₅₃

Tabela 6.5 Distribuição granulométrica da mistura com 15 % de pó de pedra... ₅₄

Tabela 6.4 Distribuição granulométrica da mistura com 30 % de pó de pedra... ₅₅

Tabela 6.5 Distribuição granulométrica da brita... ₅₆

Tabela 6.6 Massa específica e massa unitária no estado solto da areia de rio e do pó de pedra... 57

Tabela 6.7 Massa unitária no estado solto, absorção e massa específica absoluta da brita... 57

Tabela 6.8 Substâncias deletérias presentes no agregado miúdo... 58

Tabela 6.9 Grãos medidos conforme fração granulométrica... ₆₁

Tabela 6.10 Consistência do concreto fresco... ₆₅

Tabela 6.11 Média e desvio padrão para a consistência do concreto fresco... 65

Tabela 6.12 Consistências do concreto admissíveis... ₆₆

Tabela 6.13 Massa específica, índices de vazios e absorção de água por imersão... ₆₇

Tabela 6.14 Resistência à compressão do concreto com 7 dias... ₆₈

Tabela 6.15 Resistência à compressão do concreto com 28 dias... ₆₈

Tabela 6.16 Média, desvio padrão e intervalo com 95% de confiança para a resistência à compressão a 7 dias... ₆₉

Tabela 6.17 Média, desvio padrão e intervalo com 95% de confiança para a resistência à compressão a 28 dias... ₆₉

(10)

(11)

xi

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

A Absorção de água A/C Relação água cimento a1 e a2 Índices de expressão

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ANOVA Análise de variância (Analysis of variance) C-S-H Silicato de cálcio hidratado

d Massa específica do agregado seco D Diâmetro do corpo-de-prova DRX Difratometria de raios-X

ds Massa específica do agregado na condição saturada superfície seca

Ec Módulo de elasticidade inicial

Ec Módulo de elasticidade inicial fc Resistência do concreto à compressão

fck Resistência característica do concreto à compressão

IBRACON Instituto Brasileiro do Concreto IV Índice de vazios

m Massa ao ar da amostra seca ma Massa em água da amostra

MEV Microscopia eletrônica de varredura

mi Massa da amostra saturada imersa em água após fervura MO Microscopia Ótica

MP Porcentagem de material pulverulento MQ Média quadrática

ms Massa ao ar da amostra na condição saturada superfície seca

msat Massa da amostra saturada em água após imersão e fervura Mt Teor de argila em torrões e materiais friáveis

P Perda por abrasão PPM Partes por milhão Q Carga máxima SQ Soma quadrática V Volume do frasco

yijk Observações do modelo estatístico ρa Massa específica da água

ρr Massa específica real

ρs Massa específica da amostra seca

ρsat Massa específica da amostra saturada

(12)

j

β

_{Efeito do j-ésimo nível do fator}_B

i

τ

_{Efeito do i-ésimo nível do fator}A

IJ

)

(

τβ

_{Efeito da iteração entre}_A_e_B ij

(13)

xiii

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO... 01

1.1 PROBLEMÁTICA... 01

1.2 OBJETIVOS... 02

1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO... 03

2 CONCRETO... 04

2.1 CIMENTO PORTLAND... 04

2.1.1 Fabricação do cimento Portland... 04

2.1.2 Composição química do cimento Portland... 05

2.1.3 Sólidos na pasta de cimento Portland hidratado... 07

2.2 ZONA DE TRANSIÇÃO... 09

2.3 PROPRIEDADE DO CONCRETO FRESCO... 09

2.4 PROPRIEDADES DO CONCRETO ENDURECIDO... 10

2.4.1 Resistência à compressão... 10

2.4.2 Massa específica... 11

2.4.3 Resistência à tração... 11

2.5 MÓDULO DE ELASTICIDADE... 11

2.6 DIAGRAMA TENSÃO-DEFORMAÇÃO DE COMPRESSÃO DO CONCRETO... 12

3 AGREGADOS... 14

3.1 ROCHAS... 14

3.2 FRAGMENTOS DE ROCHA E FRAÇÕES GRANULOMÉTRICAS... 15

3.3 CARACTERÍSTICAS DOS AGREGADOS... 16

3.3.1 Massa específica... 16

3.3.2 Absorção e umidade... 16

3.3.3 Resistência à compressão, resistência à abrasão e módulo de elasticidade... 17

3.3.4 Composição granulométrica... 18

3.3.5 Forma e textura superficial... 19

3.3.6 Substâncias deletérias... 20

3.4 FRAÇÃO FINA DA BRITAGEM... 21

3.4.1 Processo de fabricação dos agregados artificiais... 21

3.4.2 Utilização da fração fina da britagem... 22

4 PLANEJAMENTO DE EXPERIMENTOS... 28

4.1 ANÁLISE DE VARIÂNCIA... 28

4.2 PLANEJAMENTO DE EXPERIMENTOS FATORIAIS COM DOIS FATORES... 29

4.3 ANÁLISE DE VARIÂNCIA PARA O MODELO COM EFEITOS FIXOS... 29

4.4 PLANEJAMENTO FATORIAL 32_... ₃₁

4.5 VERIFICAÇÃO DA ADEQUAÇÃO DO MODELO... 32

5 MATERIAIS E MÉTODOS... 33

(14)

5.1.1 Agregados... 33

5.1.2 Cimento... 41

5.1.3 Aditivo... 42

5.2 DOSAGEM DO CONCRETO... 42

5.2.1 Traço experimental... 43

5.2.2 Planejamento de experimentos... 44

5.3 PRODUÇÃO DOS CONCRETOS... 44

5.3.1 Mistura dos materiais... 44

5.3.2 Moldagem... 45

5.3.3 Adensamento... 46

5.3.4 Cura... 46

5.4 CARACTERIZAÇÃO DOS CONCRETOS... 46

5.4.1 Propriedade no estado fresco – Índice de consistência... 47

5.4.2 Propriedades no estado endurecido ... 47

5.4.3 Microestrutura do concreto ... 50

5.5 CONSIDERAÇÕES... 49

6 RESULTADOS E DISCUSSÕES... 51

6.1 CARACTERIZAÇÃO DOS AGREGADOS... 51

6.1.1 Distribuição granulométrica... 51

6.1.2 Massa específica, massa unitária no estado solto e absorção... 57

6.1.3 Substâncias deletérias do agregado miúdo... 58

6.1.4 Resistência à abrasão do agregado graúdo... 58

6.1.5 Forma dos grãos e textura superficial... 58

6.1.6 Composição mineralógica dos agregados... 62

6.2 CARACTERIZAÇÃO DOS CONCRETOS... 64

6.2.1 Propriedade no estado fresco – Índice de consistência... 64

6.2.2 Propriedades no estado endurecido... 66

6.2.3 Microestrutura do concreto... 76

7 CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS... 81

7.1 CONCLUSÃO... 81

7.2 TRABALHOS FUTUROS... 82

(15)

xv

RESUMO

O uso das frações finas residuais de britagem no concreto traz benefícios

ambientais através da minimização da geração de resíduos e da otimização de processos

mineiros, além da redução dos impactos produzidos pela extração da areia natural. As

frações finas também podem oferecer vantagens econômicas já que o produto é menos

valorizado que a areia natural. Este trabalho tem por objetivo caracterizar o concreto

convencional produzido com pó de pedra de origem gnáissica em substituição parcial a

areia natural. Os agregados foram caracterizados por ensaios normatizados, microscopia

ótica e difração de raios-x. A metodologia para a dosagem do concreto foi experimental

e foi adotado um traço normal em relação ao consumo de cimento. Foram produzidos

144 corpos-de-prova cilíndricos, com o objetivo de estudar as propriedades físicas e

mecânicas e a microestrutura do concreto. Para a análise da propriedade resistência à

compressão foi adotado um planejamento fatorial com 2 fatores. Os fatores adotados

foram o fator água/cimento e porcentagem de pó de pedra, cada um com 3 níveis.

Diante dos resultados obtidos, verificou-se que apenas o fator água/cimento influenciou

nos resultados de resistência à compressão. Os valores de massa específica estão em

conformidade com os valores usuais para concreto convencional. É possível concluir

que a utilização do pó de pedra no concreto convencional é perfeitamente viável em

substituição parcial. Os resultados relacionados às propriedades físicas e mecânicas do

concreto com pó de pedra não apresentaram diferenças significativas em relação ao

concreto com 100% de areia natural.

(16)

ABSTRACT

The use of fine residual fractions of crushing in concrete brings enviromental

benefits through de minimization of the generation of residues and the optimization of

mining processes, besides de reduction of impacts produced by the extraction of natural

sand. The fine fractions can also offer economic advantages since the product is less

valued than natural sand. This paper aims to point out the conventional concrete

produced with quarry fine of gnaissic origin in partial replacement of natural sand. The

aggregates were pointed out by normatized esays, optical microscopy and X-ray

diffraction. The methodology for a concrete dosage was experimental and a normal

trace was adopted related to consumption of cement. 144 cylindrical test bodies were

produced, aiming to study the physics and mechanic properties and the microstructure

of the concrete. To the analysis of the property resistance to compression a factorial

planning with 2 factors was adopted. The factors adopted were the factor water/cement

and quarry fines percentage, each one with 3 levels. According to the gotten results, it

was verified that only the factor water/cement influenced in the results of resistance to

compression. The specific mass values are in conformity to usual values to conventional

concrete. It is possible to conclude that the use of quarry fines in conventional concrete

is perfectly feasible in partial replacement. The results related to the physic and

mechanic properties of the concrete with quarry fines didn’t show meaningful

differences related to the concrete with 100% of natural sand.

(17)

xvii

CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO

1.1 - Problemática

O concreto de cimento Portland é presentemente o material manufaturado mais

utilizado. Entre as vantagens deste material de construção podem ser citados seu baixo

custo relativo, a disponibilidade de seus materiais componentes, sua versatilidade e

adaptabilidade, sua durabilidade e sua possibilidade de incorporar com vantagens

rejeitos industriais.

Para obter um concreto com características adequadas, combinada com

benefícios ecológicos é necessária uma dosagem bem elaborada, ensaios em laboratório,

seleção de material apropriado, cuidados na preparação, ou seja, estudos para a

obtenção de um produto ainda melhor.

O concreto é uma rocha artificial formada por agregados graúdos, miúdos e

material ligante, podendo ter ainda aditivos químicos e minerais. O agregado miúdo

utilizado na produção do concreto pode ser areia natural, cuja produção é

ambientalmente problemática. A obtenção de areia natural pode ocorrer através da

dragagem de depósitos de leitos de rios, por escavações mecânicas de depósitos de solos

residuais derivados de alterações físico-químico de rochas, ou por desmonte hidráulico

destas acumulações com posterior dragagem e armanezamento de cavas. Esses

processos citados apresentam impactos ambientais significativos e de razoável extensão,

com danos na maioria das vezes irreversíveis. Dentre os impactos ambientais

identificados nas áreas de extração de areia natural, destaca-se perda da biodiversidade,

o comprometimento do regime de vazão dos cursos de água, além do assoreamento dos

mesmos pela destruição das margens e matas ciliares.

Além do problema ambiental, a exaustão de áreas próximas aos grandes centros

consumidores tem resultado na exploração de areias em locais cada vez mais distantes

dos centros urbanos, o que onera o preço final da areia natural.

(18)

Diante desta situação surge como alternativa o uso do pó de pedra de origem

gnáissica, obtida pela britagem direta das rochas, em substituição parcial a areia natural

no concreto convencional.

A geração de resíduos na indústria extrativa de pedra britada é um dos principais

problemas econômicos e ambientais do setor, pois uma parcela significativa de suas

reservas minerais acaba sendo perdida devido à inadequada disposição ou descarte das

frações finas produzidas. Esta fração, conhecida no mercado como pó de pedra e areia

de brita tem sido procurada no mercado, porém existe pouca especificação técnica.

Geralmente este subproduto é armazenado em pilhas de estoque ao ar livre, sujeito à

ação dos ventos e das chuvas e à liberação de material particulado para as drenagens e

corpos de água.

O uso das frações finas residuais de britagem no concreto traz benefícios

ambientais através da minimização da geração de resíduos e da otimização de processos

mineiros além da redução dos impactos produzidos pela extração da areia natural. As

frações finas também podem oferecer vantagens econômicas já que o produto é menos

valorizado que a areia natural.

1.2 - Objetivos

O objetivo geral deste trabalho é a caracterização do concreto convencional

produzido com pó de pedra de origem gnáissica em substituição parcial a areia natural.

E como objetivos específicos pode-se citar:

• identificar, caracterizar e estudar os materiais e a interação entre

eles;

• dosar os concretos convencionais utilizando a mistura de pó de pedra

e da areia natural como agregado miúdo;

• caracterizar as propriedades físicas do concreto convencional;

• avaliar a resistência à compressão do concreto convencional

utilizando um planejamento fatorial de dois fatores;

(19)