UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA ESCOLA POLITÉCNICA MESTRADO EM ENGENHARIA AMBIENTAL URBANA MEAU

(1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA

ESCOLA POLITÉCNICA

MESTRADO EM ENGENHARIA AMBIENTAL URBANA – MEAU

SILVIO DE CERQUEIRA MAZZA

ESTUDO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E DA ADERÊNCIA ENTRE ARGAMASSA DE REPARO COM

CIMENTO GEOPOLIMÉRICO E SUBSTRATO DE CONCRETO COM CIMENTO PORTLAND.

Salvador

2009

(2)

ESTUDO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E DA ADERÊNCIA ENTRE ARGAMASSA DE REPARO COM

CIMENTO GEOPOLIMÉRICO E SUBSTRATO DE CONCRETO COM CIMENTO PORTLAND.

Projeto de Pesquisa em Produção e Gestão do Ambiente Construído do Mestrado em Engenharia Ambiental Urbana (MEAU) da Universidade Federal da Bahia (UFBA) através do DCTM (Departamento de Ciências e Tecnologia dos Materiais), a ser desenvolvido na cidade de Salvador, na Universidade Estadual Norte Fluminese (UENF) na cidade de Campos dos Goytacazes e na Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), apoiado pela Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), através do Programa Nacional de Cooperação Acadêmica (PROCAD), como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Ambiental Urbana.

Orientadora: Profª. Dra. Vanessa Silveira Silva.

Co-orientador: Profº. Dr. Dylmar Penteado Dias

Salvador

2009

(3)

RESUMO

Nenhuma edificação é durável, pois é composta de materiais, cujas propriedades variam em decorrência de sua interação com o meio ambiente. O problema da pouca durabilidade das construções implica no surgimento das Patologias. Com o surgimento das Patologias das Construções, se torna necessária o reparo, recuperação, reforço e restauro da mesma. Neste trabalho, se optou por avaliar o comportamento das argamassas com cimento Geopolimérico de diferentes resistências no reparo de estruturas de concreto convencional, na busca de um melhor conhecimento teórico-experimental a respeito do geopolimero e da aderência entre esses materiais. Na parte experimental, serão utilizadas técnicas de analise de espectroscopia (DRX), ensaios para caracterização da composição química (Eflorescência de Raios X), Granulometria a Laser, Análise Térmica, ensaios mecânicos (resistência à compressão e à tração, resistência de aderência à tração direta e ao cisalhamento na flexão) e de microscopia (MEV) da interface argamassa/substrato. Utilizou-se os Álcalis (Cimento Geopolimérico) como aglomerante substituindo totalmente o cimento Portland na composição da argamassa de reparo. Esta pesquisa é importante para a compreensão do comportamento de novos materiais para reparo e recuperação de estruturas em concreto.

Palavras-chave: Argamassa Geopolimérica, Comportamento Mecânico do

Geopolimero, Reparo, Aderência.

(4)

CACAPPÍÍTTUULLOO 11.. INTRODUÇÃO ... 1

1.1 M

OTIVAÇÃO

... 1

1.2 J

USTIFICATIVA

... 1

1.2.1 Aspectos Cientificos ... 1

1.2.21 Aspectos Tecnologico ... 1

1.2.3 Aspectos referentes a apoios institucionais ... 2

1.2.4 Aspectos Ambientais ... 2

1.2.5 Aspectos Economicos ... 3

1.3 O

BJETIVO

G

ERAL

... 3

1.4 O

BJETIVOS

E

SPECIFICOS

... 3

1.4 E

STRUTURA DO TRABALHO

... 4

CACAPPÍÍTTUULLOO 22.. CONSIDERAÇÕES GERAIS ... 5

2.1 I

NTRODUÇÃO

... 5

2.2 P

ATOLOGIAS DAS CONSTRUÇÕES

... 9

2.3 D

URABILIDADE E REPARO EM ESTRUTURAS DE CONCRETO

... 12

2.4 A

RGAMASSAS DE REPARO

... 14

2.5 A

DERÊNCIA

... 15

CACAPPÍÍTTUULLOO 33.. CARACTERIZAÇÃO DO CIMENTO GEOPOLIMERICO ... 18

3.1 H

ISTÓRICO DO CIMENTO GEOPOLIMERICO

... 18

3.2 O

BTENÇÃO

,

ESTRUTURA E PROPRIEDADES DO CIMENTO GEOPOLIMÉRICO

... 20

3.2.1 Elevada resistência inicial ... 21

3.2.2 Péga rapida ... 21

3.2.3 Baixa permeabilidade ... 22

3.2.4 Elevada resistencia à abrasão ... 22

3.3 Á

LCALI

-

ATIVAÇÃO

... 22

CACAPPÍÍTTUULLOO 44.. METODOLOGIA ... 23

4.1 I

NTRODUÇÃO

... 23

CACAPPÍÍTTUULLOO 55.. OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DO CAULIM E DO METACAULIM ... 24

5.1 I

NTRODUÇÃO

... 24

5.2 O

BTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DO CAULIM

... 24

5.3 O

BTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DO METACAULIM

... 25

5.3.1 Moagem do metacaulim ... 26

5.4 C

ARACTERIZAÇÃO DO CAULIM E DO METACAULIM

... 27

5.4.1 DRX – Difração de raios X ... 27

(5)

5.4.2 Granulometria a Laser ... 28

5.4.3 Área superficial específica ... 29

5.4.4 Análise térmica ... 30

5.4.5 Espectroscopia de florescência de raios X ... 32

5.4.6 MEV – Microscopia eletrônica de varredura ... 33

C CAAPPÍÍTTUULLOO 66.. RESULTADOS E ANALISES DO CAULIM E DO METACAULIM ... 34

6.1 I

NTRODUÇÃO

... 34

6.2 O

BTENÇÃO E CARACTERIZAÇÀO DO CAULIM

... 34

6.3 O

BTENÇÃO E CARACTERIZAÇÀO DO METACAULIM

... 34

6.3.1 Calcinação inicial ... 35

6.3.2 Calcinaçãi final ... 37

6.3.3 Moagem do metacaulim ... 38

6.4 C

ARACTERIZAÇÃO DO CAULIM E DO METACAULIM

... 38

6.4.1 DRX – Difração de raois X ... 39

6.4.2 Granulometria a Laser ... 43

6.4.3 Área superficial específica ... 46

6.4.4 Análise térmica ... 47

6.4.5 Espectroscopia de florescência de raios X ... 53

6.4.6 MEV – Microscopia eletrônica de varredura ... 55

CACAPPÍÍTTUULLOO 77.. PROPRIEDADES E COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS ... 59

7.1 I

NTRODUÇÃO

... 59

7.2 C

OMPORTAMENTO SOB COMPRESSÃO

... 60

7.2.1 Tipo de ruptura do concreto e das argamassas de reparo ... 60

7.2.2 Elasticidade linear e Lei de Hooke ... 61

7.2.3 Diagrama tensão x deformaçào do concreto à compressão ... 61

7.2.4 Módulo de elasticidade e fatores que que afetam essa propriedade ... 62

7.2.5 Coeficiente de Poisson ... 64

7.2.6 Energia de deformação... 65

7.2.7 Ductilidade ... 65

7.3 C

OMPORTAMENTO SOB TRAÇÃO

... 65

7.3.1 Resistência à tração por compressão diametral ... 66

7.3.2 Resistencia à tração direta ... 66

7.3.3 Resistencia à tração na flexão ... 66

7.3 C

OMPORTAMENTO DA ADERÊNCIA DE ARGAMASSAS AO SUBSTRATO

... 66

7.3.1 Resistência de aderência ao cisalhamento na flexão ... 66

CACAPPÍÍTTUULLOO 88.. PROGRAMA EXPERIMENTAL ... 69

8.1 I

NTRODUÇÃO

... 69

8.2 C

OMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS

... 69

(6)

8.2.2.2 Agregado miúdo ... 73

8.2.3 Água ... 74

8.3 P

RODUÇÃO DO CONCRETO

... 75

8.3.1 Dosagem do concreto ... 76

8.4 P

RODUÇÃO DAS ARGAMASSAS

... 78

8.4.1 Escolha das argamassas geopolimericas de reparo ... 78

8.4.2 Dosagem (Traço) das argamassas geopolimericas ... 80

8.4.3 Preparo das argamassas geopolimericas ... 81

8.4.4 Dosagem e preparação do graute comercial de referência... 84

8.5 P

REPARAÇÃO DAS FORMAS

... 84

8.6 M

OLDAGEM DOS CORPOS

-

DE

-

PROVA DE CONCRETO

... 86

8.7 M

OLDAGEM DOS CORPOS

-

DE

-

PROVA DE ARGAMASSAS DE REPARO

... 88

8.8 D

ETERMINAÇÃO DAS PROPRIEDADES DO CONCRETO NO ESTADO FRESCO

... 89

8.9 C

OMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS

... 91

8.9.1 Comportamento sob compressão ... 92

8.9.2 Comportamento sob tração ... 93

8.9.2.1 Ensaio de resistência à tração por compressão diametral ... 93

8.9.2.2 Ensaio de resistência à tração direta ... 95

8.9.2.3 Ensaio de resistência à tração na flexão ... 97

8.9.3 Comportamento da aderência das argamassas de reparo ... 103

C CAAPPÍÍTTUULLOO 99.. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS ... 111

9.1 I

NTRODUÇÃO

... 111

9.2 E

NSAIOS MECÂNICOS

... 111

9.3 C

OMPORTAMENTO MECÂNICO DO CONCRETO

... 111

9.3.1 Comportamento tensão versus deformação sob compressão ... 111

9.3.2 Comportamento tensão versus deformação lateral e axial do concreto ... 112

9.3.3 Resistência à compressão axial do concreto do substrato... 113

9.3.4 Módulo de deformação do concreto do substrato ... 114

9.3.5 Coeficiente de Poisson do concreto do substrato ... 116

9.4 C

OMPORTAMENTO DAS ARGAMASSAS

... 117

9.4.1 Comportamento tensão versus deformação sob compressão ... 117

9.4.2 Resistência à compressão axial das argamassas de reparo ... 119

9.4.3 Módulo de deformação das argamassas de reparo ... 123

9.5 C

OMPARAÇÃO DOS RESULTADOS OBTIDOS DO GRÁFICO TENSÃO VERSUS DEFORMAÇÀO

... 125

9.5.1 Resistência à compressão axial do substrato e das argamassas ... 125

9.5.2 Análise do módulo de deformação experimental do concreto e das argamassas ... 126

9.5.3 Análise do módulo de deformação calculado do concreto (NBR 6118:2003) ... 129

(7)

9.5.4 Índice de tenacidade na compressão ... 129

9.6 R

ESISTÊNCIA À TRACÃO POR COMPRESSÃO DIAMETRAL

... 132

9.6.1 Comportamento da carga e da tensão ao longo do tempo para o concreto e reparo ... 132

9.7 R

ESISTÊNCIA À TRACÃO INDIRETA DO CONCRETO E DAS ARGAMASSAS

... 135

9.8 R

ESISTÊNCIA À TRACÃO NA FLEXÃO

... 136

9.8.1 Comportamento do concreto e do reparo sob tração na flexão ... 136

9.9 R

ESISTÊNCIA À TRACÃO DIRETA

... 159

9.9.1 Comportamento do concreto e do reparo sob tração direta ... 159

C CAAPPÍÍTTUULLOO 1100.. CONCLUSÕES ... 160

10.1 C

ONCLUSÕES

... 160

10.2 S

UGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

... 160

REFERÊNCIAS ... 161

(8)

Dissertação do Mestrado/UFBA/MEAU/Escola Politécnica/2009. 1

C C ap a p í í t t u u lo l o 1 1. .

I I NT N TR RO OD DU UÇ ÇÃ ÃO O

1.1 Motivação

Pesquisas envolvendo a utilização do cimento geopolimérico na construção civil estão sendo realizado em vários países, a exemplo da França, Espanha, Portugal, Austrália, Estados Unidos, África do Sul e Brasil, sendo que os maiores avanços científicos e tecnológicos alcançados até o momento ocorreram neste último país.

Os resultados obtidos, referidos na bibliografia consultada, indicam uma versatilidade do Concreto com Cimento Geopolimérico, motivando este proponente a dar continuidade na pesquisa desse material (cimento geopolimérico). Um estudo do comportamento desse material, como argamassa no reparo de estruturas deterioradas, se faz necessário para que sua futura aplicação na construção civil seja confiável, especialmente na área de reparo\recuperação\reforço de estruturas.

1.2 Justificativa

Este trabalho visa avaliar o comportamento das argamassas com cimento Geopolimérico de diferentes resistências no reparo de estruturas de concreto convencional, na busca de um melhor conhecimento teórico-experimental a respeito da aderência entre esses materiais. Esta pesquisa é importante para a compreensão do comportamento de novos materiais para reparo e recuperação de estruturas em concreto.

A seguir são apresentados diversos aspectos previstos pelo projeto, no âmbito científico, tecnológico, institucional e ambiental, sendo fácil comprovar a necessidade de estudo que contribua para a utilização do cimento geopolimérico no país, tendo por base as matérias primas disponíveis.

1.2.1 Aspectos científicos

Estudos sobre a caracterização e emprego do cimento geopolimérico na

construção civil, já foram objetos de vários trabalhos (DIAS, 2001, SILVA, 2000,

THOMAZ, 2000, BARBOSA, 1999), no entanto, não conseguiram descrever

(9)

Dissertação do Mestrado/UFBA/MEAU/Escola Politécnica/2009.

2 satisfatoriamente todos os problemas relacionados ao desempenho mecânico e à durabilidade do mesmo. O presente projeto traz o estudo das propriedades de aderência entre o concreto de cimento Portland e argamassas de cimentos geopoliméricos com diferentes idades, sendo o ultimo utilizado no reparo de estruturas degradadas, dessa forma contribuindo com os estudos já realizados nessa área.

1.2.2 Aspectos tecnológicos

O desenvolvimento de tecnologias de produção, no âmbito nacional, do cimento geopolimérico é de fundamental importância para atender as demandas do mercado interno de novos materiais, em especial no que se refere às matérias-primas e produtos utilizados em reparo, reforço e recuperação de estruturas de concreto armado.

1.2.3 Aspectos referentes a apoios institucionais

Instituições que apóiam este projeto de pesquisa: CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior), através do PROCAD (Programa Nacional de Cooperação Acadêmica); UFBa (Universidade Federal da Bahia), através da orientação da Profª Dra. Vanessa Silveira Silva do DCTM (Departamento de Ciências e Tecnologia dos Materiais); UENF (Universidade Estadual do Norte Fluminense), através da co- orientação do Profº. Dr. Dylmar Penteado Dias do LECIV (Laboratório de Engenharia Civil); UFRJ (Universidade Federal do Rio de Janeiro), através da colaboração do Profº.

Dr. Marcos Martinez Silvoso do LABEST/COPPE(Laboratório de Estruturas).

Os pesquisadores vinculados a este projeto possuem amplos conhecimentos e experiência em pesquisas científicas na área de materiais cimentícios e poliméricos.

1.2.4 Aspectos ambientais

A necessidade de redução de consumo de energia e de emissão de CO

2

é uma exigência constante na indústria de cimento Portland, forçando a melhoria da eficiência dos processos de fabricação, assim como o aproveitamento de resíduos e subprodutos de outras indústrias como adição.

O clínquer de cimento Portland é fabricado a partir da calcinação do calcário e de sílica de acordo com a seguinte reação:

5CaCO

3

+ 2SiO

2

→ (3CaO,SiO

2

) + (2CaO,SiO

2

) + 5CO

2

(10)

3 ton. de calcário, é gerado diretamente 0,55 toneladas de dióxido de carbono (CO

2

) químico, mais 0,40 toneladas de CO

2

, referente a queima de combustíveis fósseis. Simplificando:

1 t de cimento Portland ≅ 0,671 t de CO

2

O CO

2

é um dos mais importantes gases causadores do efeito estufa. O CO

2

se acumula na atmosfera e retém o calor que a Terra precisaria refletir de volta para o espaço a fim de manter sua temperatura, ou mesmo baixá-la a valores de décadas atrás.

É nesse ponto que o cimento geopolimérico supera em muito o cimento Portland, pois sua principal vantagem é a redução da emissão de CO

2

na fase de produção. Com um investimento similar e menor gasto de energia, em termos de emissão de CO

2

, pode-se produzir de 5 a 10 vezes mais cimento geopolimérico que a tecnologia do cimento Portland, reduzindo ainda a emissão de CO

2

em torno de 80 a 90% (DAVIDOVITS, 1994).

1.2.5 Aspectos Econômicos

1.3 Objetivo Geral

Esta pesquisa tem como objetivo geral estudar as propriedades de aderência entre o concreto de cimento Portland (substrato) e argamassas de cimento geopolimérico de diferentes resistências. Esta pesquisa é importante para a compreensão do comportamento de novos materiais para reparo e recuperação de estruturas em concreto.

1.4 Objetivos Específicos

São objetivos específicos desta pesquisa:

1. obtenção e caracterização do metacaulim (matéria-prima para produção do cimento geopolimérico);

2. estudo de dosagem da argamassa de reparo com cimento geopolimérico, da argamassa de reparo de referência e do concreto com cimento Portland (substrato).

3. avaliação mecânica das argamassas de reparo e do concreto de substrato;

(11)

4 4. avaliação da resistência de aderência à tração direta e ao cisalhamento na

flexão do sistema reparo/substrato;

5. avaliação microestrutural da interface da argamassa de reparo e o substrato de concreto;

6. estudo comparativo do desempenho quanto à aderência das diferentes argamassas de reparo com cimento geopolimérico (30 MPa e 50 MPa) e a argamassa de referência.

1.5 Estrutura do trabalho

Esta dissertação está estruturada em dez capítulos. O capitulo 1 apresenta o que motivou esse trabalho, bem como sua justificativa e os objetivos da pesquisa. O capitulo 2, faz uma revisão das patologias das construções, que quando recorrentes, leva ao estudo das reabilitações da construções, fazendo alusão a durabilidade e ao reparo em estruturas de concreto, tipos de argamassas de reparo e ao fenômeno da “aderência” entre reparo e substrato. No capitulo 3 apresenta a caracterização do cimento geopolimerico, traçando um histórico dos cimentos geopoliméricos, forma de obtenção, sua estrutura e propriedades, além de fazer uma revisão sobre a álcali-ativação. No Capitulo 4 é apresentada a metodologia adotada no programa experimental. A forma de obtenção e caracterização do caulim e do metacaulim e o estudo realizado

No capitulo 5 é apresentado a obtenção e caracterização do caulim e do metacaulim. O capitulo 6 é apresentado os resultados e analises do caulim e do metacaulim.

No capitulo 7 é apresentado as propriedades e comportamento mecânico dos materiais, sob

compressão e sob tração. O capitulo 8 apresenta o programa experimental, tacando a

composição dos materiais, a produção do substrato e do reparo e a moldagem dos corpos-

de-prova. No capitulo 9 é apresentado e analisado os resultados do comportamento

mecânico do concreto e das argamassas de reparo. Por fim, no capitulo são colocadas as

principais conclusões obtidas da pesquisa fazendo sugestões para trabalhos futuros.

(12)

C C ap a p í í t t u u lo l o 2 2. .

C C ON O NS SI ID DE ER RA AÇ ÇÕ ÕE ES S G G ER E RA AI IS S

2.1 Introdução

O nosso planeta enfrenta hoje um desafio ambiental cuja falta de resolução ou adiamento, poderá vir a ditar o fim da civilização humana, tal como a conhecemos. Em termos ambientais a ação do homem tem sido muito prejudicial à natureza, consumindo tudo e poluindo tudo numa lógica de devastação sem paralelo, agravada pelo fato de somente a alguns assistir o direito de consumir e poluir (com apenas 5% da população mundial, os Estados Unidos consomem cerca de um terço dos materiais do planeta). O resultado final é um planeta poluído quase até ao limite, e que ironicamente parece caminhar no sentido de uma nova idade do gelo (TORGAL, 2007).

Os padrões atuais de consumo da civilização humana revelaram dimensões de natureza intergeográfica tão evidentes, produzindo conseqüências noutros países e afetando futuras gerações. Um relatório do IPPC (Painel Intergovernamental sobre Alterações Climáticas) refere qualquer coisa como 200 milhões de refugiados, em conseqüência da provável subida do nível da água do mar. Outros investigadores acreditam mesmo que o ponto de não retorno foi já atingido, não sendo por isso já possível evitar um ciclo interminável de catástrofes naturais, que levará a que no prazo de 100 anos a humanidade possa ficar reduzida a aproximadamente 20% da população atual. As preocupações ambientais da sociedade atual começaram a ganhar maior relevo após a realização em 1972 da Conferência das Nações Unidas sobre o Ambiente Humano em Estocolmo. Contudo, somente em 1987 adquiriram uma perspectiva mais incisiva, a partir da publicação do Relatório Bruntland - é o documento intitulado Nosso Futuro Comum, e onde pela primeira vez aparece consignada a expressão do desenvolvimento sustentável, como aquele que

"permite satisfazer as necessidades do presente sem comprometer as possibilidades das

gerações futuras satisfazerem as suas". Posteriormente em 1992, na Conferência do Rio, em

que estiveram presentes 176 países e 102 Chefes de Estado e de Governo, foram aprovados

por unanimidade a Declaração do Rio sobre o Ambiente e Desenvolvimento, a Declaração

de Princípios Sobre as Florestas e a Agenda 21, bem como a Convenção Sobre as

(13)

Alterações Climáticas e a Convenção Sobre a Diversidade Biológica. Em 1993 a União Européia desenvolveu o 5º Programa para o Ambiente e Desenvolvimento, no qual se estabelece a necessidade de uma maior abrangência das políticas do ambiente. Na seqüência dos compromissos assumidos por Portugal no âmbito da Agenda 21, foi elaborado em 2002 um documento intitulado Estratégia Nacional para o Desenvolvimento Sustentável (ENDS), o qual foi recentemente atualizado até ao ano 2015 (TORGAL, 2007).

Este consiste num conjunto coordenado de atuações nas dimensões Econômica, Social e Ambiental, permitindo "assegurar um crescimento econômico célere e vigoroso, uma maior coesão social e um elevado e crescente nível de proteção e valorização do ambiente".

É a indústria da construção civil a atividade humana que mais degrada e causa os

maiores impactos ao meio ambiente. Na produção do ambiente construído e em toda sua

cadeia produtiva, são gerados impactos desde sociais a ambientais negativos. Sozinha, esta

indústria é a maior consumidora global de recursos naturais, além de poluidora, a exemplo

do que ocorre com o cimento, que para sua produção, é responsável por 7,9% da emissão

de CO

2

na atmosfera (Reschke, 2005), correspondendo na America Latina a 621 Kg de

CO

₂

/Tonelada de cimento (Figura 2.1). Além disso, a indústria da construção a nível

mundial consome mais matérias-primas (aproximadamente 3000 Mt/ano, quase 50% em

massa) (TORGAL, 2007) que qualquer outra atividade econômica. O aumento da

população mundial (até ao ano 2030 espera-se que aumente mais de 2000 milhões de

pessoas) e as necessidades implícitas em termos de construção de edifícios e outras infra-

estruturas, agravará ainda mais o consumo de matérias-primas não renováveis, bem assim

como a produção de resíduos.

(14)

Dissertação do Mestrado/UFBA/MEAU/Escola Politécnica/2009. 7 Figura 2.1 – Participação da America Latina, em maior parte representada pelo Brasil, como uma das mais

baixas emissões de CO2/Toneladas de cimento (Fonte: ABCP,2009).

A ameaça da alteração do clima na Terra, responsável nas últimas décadas por inúmeras catástrofes naturais que resultaram em perdas de milhares de vidas e avultados prejuízos econômicos, é um dos grandes desafios ambientais a que a sociedade atual tem que fazer face. Para essa ameaça muito contribuem as emissões de gases responsáveis pelo aumento do efeito estufa (GEE – Gás de Efeito Estufa), sendo o dióxido de carbono um dos gases que mais contribuem para esse aquecimento com uma percentagem de 60% do total.

Provenientes fundamentalmente do uso intensivo de combustíveis fósseis, da deflorestação e da indústria do cimento, que é responsável por 5% das emissões mundiais de CO

₂

.

A produção de cimento Portland, não é possível sem a emissão de CO

_2,

devido a descarbonização do calcário (CaCO

3

), quando incinerado conjuntamente com argilas a aproximadamente 1450º C, para a produção do clinquer de acordo com a seguinte reação:

3CaCO

3

+ SiO

2

→ Ca

3

SiO

5

+ 3CO

2

; de acordo com a qual, a produção de 1 tonelada de

cimento, gera 0,55 toneladas de CO

₂

de origem química, a que acrescem 0,39 tonelada de

CO

₂

por tonelada de cimento devidos ao uso de combustíveis fósseis para a produção de

energia necessária ao fabrico deste material, o que equivale a afirmar de maneira

simplificada que durante a produção de 1 tonelada de cimento se produz igualmente 1

tonelada de CO

2

, conforme citado por TORGAL (2007).

(15)

A indústria de cimento, atualmente faz substituição parcial do clínquer por subprodutos com características pozolânicas, tais como cinzas volantes, escórias de alto forno, resíduos de minas e pedreiras de maneira a minimizar os níveis de emissões, conseqüentemente reduzindo seus custos. Ainda, assim, o potencial de redução de emissões obtido dessa forma é bastante limitado. A comunidade cientifica tem investido muito na pesquisa e no desenvolvimento de ligantes alternativos ao cimento Portland capazes de um melhor desempenho, quer em termos ambientais quer mesmo em termos da sua durabilidade, mas que não conseguiram até agora afirmar-se como substitutos efetivos do cimento Portland, devido em parte, fundamentalmente ao baixo custo daquele material, em relação a outros aglomerantes em escala comercial (Torgal, 2007).

A sustentabilidade de uma indústria, tal como a da construção civil e em particular o caso dos materiais de construção assume um papel primordial, justificando o aprofundamento no assunto. Sendo assim, é valida uma revisão da literatura sobre investigações no âmbito da sustentabilidade dos materiais de construção e em particular, da pesquisa e investigação de material menos poluidor que o Cimento Portland, como é o caso do Geopolímero.

Em termos históricos (Tabela 2.1), este tipo de material já é estudado a algum tempo, porém o termo geopolimero, foi patenteado em 1978 por Joseph Davidovits.

Tabela 2.1: Cronologia sobre alguns acontecimentos acerca do cimento geopolimerico.

Autor Ano Descrição

Feret 1939 Cimentos com escórias Purdon 1940 Combinações alcalis‐escórias

Glukhovsky 1959 Bases teóricas e desenvolvimento de cimento alcalino Glukhovsky 1965 Primeiros cimentos alcalinos

Davidovits 1979 Termo “ Geopolimero”

Malinowski 1979 Caracterização de aquedutos milenares

Forss 1983 Cimento tipo F (Escórias – alcalis – superplasificante) Langton e Roy 1984 Caracterização de materiais em edificios milenares Davidovits e Sawyer 1985 Patente do cimento “ Pyrament “

Krivenko 1986 Sistemas R2O – RO ‐SiO2 ‐H2O Malolepsy e Petri 1986 Ativação de escórias sintéticas

Malek. et al. 1986 Cimentos de escórias com resíduos radioativos

Davidovits 1987 Comparação entre concreto correntes e concretos militares Deja e Malolepsy 1989 Resistência ao ataque de cloretos

Kaushal et al. 1989 Cura adiabatica de ligantes alcalinos com residuos nucleares

(16)

Dissertação do Mestrado/UFBA/MEAU/Escola Politécnica/2009. 9 Majundar et al. 1989 Ativação de escórias – C12A7

Talling e Brandstetr 1989 Ativação alcalina de escórias Wu et al. 1990 Ativação de cimento de escórias

Roy et al. 1991 Presa rápida de cimentos ativados alcalinamente Roy e Silsbee 1992 Revisão sobre cimentos ativados alcalinamente Palomo e Glasser 1992 Metacaulim com CBC

Roy e Malek 1993 Cimento de escórias

Glukhovsky 1994 Concreto milenares, modernos e futuros Krivenko 1994 Cimentos alcalinos

Wang e Scrivener 1995 Microestrutura de escórias ativadas alcalinamente Feret 1939 Cimentos com escórias

* Fonte: Modificada de Roy, Della M. (1999).

2.2 Patologias das Construções

Os problemas patológicos nas construções não dizem respeito somente aos conceitos de engenharia, podem estar relacionados ao descaso na concepção ou desconhecimento em relação às características e comportamentos dos materiais, também a possíveis interferências do meio ao qual estará exposta a edificação.

Outros focos de surgimento de problemas patológicos estão relacionados à fase de execução por parte dos profissionais, pela utilização da estrutura, pela não realização de manutenções ou quando a deterioração é causada pelo mau uso da edificação.

Em vista desta problemática, a cada dia é ratificada a necessidade do amplo conhecimento das características de todos os materiais envolvidos no processo construtivo, bem como no reparo, restauro, recuperação e reforço de estruturas de concreto, e atrelado a esta corrente segue a necessidade da conscientização do conceito de durabilidade, pois nenhum material é indefinidamente durável, suas características e propriedades são alteradas com o passar do tempo.

Em resposta a estas observações haverá certamente uma minimização de custos, tanto na produção como em eventuais manutenções nas estruturas.

Segundo Aranha e Dal Molin (1993) as manifestações patólogicas referentes à

execução, representam as maiores incidências de danos na construção civil, função da

grande ocorrência de procedimentos inadequados) pois estudos foram realizados em seis

estados brasileiros (Amapá, Amazonas, Maranhão, Pará, Rondônia e Roraima)

comprovando uma elevada porcentagem das manifestações patológicas tem origem nestas

(17)

etapa, diferente do que ocorre em países da Europa, que atribui a etapa de projeto (onde grande variedade de ações pode ser tomada), como responsável pela maioria das manifestações patológicas ocorrentes Figura 2.2. As falhas de projeto são em geral, mais graves do que as falhas de qualidade dos materiais ou de má execução. É sempre preferível investir mais tempo no detalhamento e nos estudos da estrutura que, por falta de previsão, tomar decisões apressadas ou adaptadas durante a execução.

Figura 2.2 – Distribuição das origens dos problemas patológicos com relação às etapas de produção das obras civis. Fonte: Aranha e Dal Molin (1976 - 1993).

A constante busca por soluções de problemas enfrentados diariamente em canteiros de obras é o fator que move diversas pesquisas em níveis Nacionais e Internacionais, entretanto, apesar de grandes avanços, muitos destes problemas ainda persistem.

Após analise realizada, por Andrade, (1997), da distribuição das diversas origens

das manifestações patológicas em estruturas de concreto, verificou-se que a maioria dos

problemas patológicos são corrigidos empregando sistemas de reparo (83%), conforme

verificado na Figura 2.3..

(18)

Dissertação do Mestrado/UFBA/MEAU/Escola Politécnica/2009. 11 Figura 2.3 – Distribuição dos métodos de reabilitação empregados nas estruturas. Fonte: Andrade

(1997).

Um dos problemas relacionados à tecnologia dos concretos estruturais reside na ligação ou aderência entre o concreto e a argamassa de reparo com cimento Portland executados com diferentes idades, composições e resistências.

As dificuldades geradas neste tipo de ligação atingem desde a retomada de uma concretagem durante a execução de uma estrutura ou, sua continuidade depois de determinado tempo, por suspensão temporária de atividades, ampliações ou ainda, nos casos de recuperação da estrutura, quando afetada por alguma patologia associada à deterioração do concreto e/ou armadura.

Como decorrência dessa situação, a ligação concreto novo (ou argamassa nova) versus concreto velho fica prejudicada, pois, nesse local se dará o ponto mais frágil da ligação, que é a zona de interface ou zona de transição, como pode ser observado na Figura 2.4

Figura 2.4– Zona de transição entre argamassa e concretos de diferentes idades. Fonte: adaptada de SANTANA (2004).

(19)

Segundo Mehta (1994), a zona de transição representa a região interfacial entre as partículas de agregado graúdo e a pasta. A zona de transição é geralmente a parte mais fraca em comparação com os outros dois componentes principais do concreto, e conseqüentemente, exerce uma forte influência no seu comportamento mecânico.

Nesse sentido, diversos projetos de pesquisa interligando a Engenharia Civil e a área tecnológica da Ciência e Engenharia de Materiais estão sendo realizados na EESC- USP e na UENF, no desenvolvimento de técnicas e na utilização de novos materiais para a elaboração de concretos e argamassas mais resistentes e duráveis. No caso, a presente pesquisa está visando colaborar para a ampliação do conhecimento nesta área.

2.3 Durabilidade e Reparo em Estruturas de Concreto

É essencial que as estruturas de concreto desempenhem as funções que lhe foram atribuídas, que mantenham a resistência e a utilidade que delas se espera, durante um período de vida previsto ou, pelo menos, razoável. Logo, uma longa vida útil pode ser considerada sinônimo de durabilidade, conseqüentemente sem necessidade de reparos.

A durabilidade inadequada se manifesta por uma deterioração que pode ser originada por fatores externos ou por causas internas do próprio concreto (ANDRADE, 1997). As diferentes formas de ação podem ser físicas, químicas ou mecânicas. As causas de deterioração mecânica podem ser impacto, abrasão, erosão ou cavitação. As causas químicas de deterioração podem incluir as reações álcali-sílica e álcali-carbonato. O ataque químico externo ocorre principalmente pela ação de íons agressivos, como cloretos, ácidos, sulfatos ou dióxido de carbono e muitos líquidos e gases naturais ou industriais. As causas físicas de deterioração compreendem os efeitos de altas temperaturas, diferenças de coeficientes de dilatação térmica do agregado e da pasta de cimento hidratado (NEVILLE, 1997).

Quanto maior for a durabilidade de um material ou de uma estrutura, maior será a sua vida útil e conseqüentemente menor será sua degradação precoce e o seu impacto ambiental. Se por exemplo aumentarmos a durabilidade do concreto de 50 para 500 anos, haverá uma redução do seu impacto ambiental de um fator de 10 vezes (TORGAL, 2007).

Infelizmente são inúmeros os casos de deterioração precoce de estruturas de concreto

(20)

cita um caso de deterioração de estacas 12 anos após a sua construção e também o caso de um túnel no Dubai que concluído em 1975, teve de ser completamente reparado em 1986.

Há referencias também (TORGAL, 2007), que indica um estudo sobre pontes construídas na Noruega após 1970 em que 25% apresentavam deterioração por corrosão de armaduras.

Torga (2007) indica ainda, que 40% das cerca de 600.000 pontes existentes nos Estados Unidos estariam afetadas pela corrosão, com um custo de reparação de aproximadamente 50.000 milhões de dólares. A vulnerabilidade deste material fica a dever muito ao material ligante (cimento Portland), que apresenta uma elevada quantidade de cal, facilmente susceptível de ataque químico, situação agravada pela incapacidade do cimento Portland em conseguir uma boa aderência aos agregados o que induz níveis de permeabilidade relativamente elevados, facilitando o ingresso de água, gases e substancias agressivas, que provocam fenômenos de carbonatação e de corrosão das armaduras. A utilização por isso, de ligantes alternativos ao cimento Portland com uma durabilidade superior a este material, como é o caso dos ligantes ativados alcalinamente (geopolímero), constitui assim, um passo no sentido da sustentabilidade da construção.

Existe varias tecnologias de reparo de estruturas, cada uma com suas aplicações especificas, variando de acordo com o mecanismo que predomina na deterioração ou a depender de como a estrutura se encontra. Podendo ser relacionado a intervenções que visam proteção de elementos estruturais e seu reparo superficial, recompondo a seção transversal do elemento e sua estética, ou reforçando a estrutura para recomposição da capacidade de carga ou mesmo para seu reforço.

As falhas dos reparos, geralmente ocorrem nas fronteiras substrato/reparo

(SELMO, 2007), devido a combinação de fissuras, deformações térmicas diferenciais e

cargas aplicadas. As argamassas de reparo devem apresentar adequada capacidade de

deformação, compatível com a deformação do substrato. Por isso, conforme citado por

Selmo (2007), além da resistência de aderência da argamassa ao substrato, é esperado que o

material de reparo apresente módulo de elasticidade o mais próximo possível do concreto

reparado.

(21)

2.4 Argamassas de Reparo

Segundo DAL MOLIN (2000), a argamassa de reparo deve ter compatibilidade mecânica com o concreto de reparo, além de resistência a compressão e à tração, módulo de deformação, coeficiente de dilatação térmica, estabilidade volumétrica e aderência entre outras propriedades, compatíveis com o substrato onde o reparo se aplica.

RIPPER (1998) cita vários tipos de materiais para reparo, destacamos aqui os reparos com argamassas, podendo ser utilizada para reparos superficiais de qualquer tamanho em área, mas apenas para pequenas profundidades, e mantendo-se uma certa relação com a área. Normalmente, é empregada para os casos quando a camada de concreto de cobrimento das armaduras está deteriorada.

O material a ser utilizado dependerá da natureza do serviço, das causas que o tornaram necessário e da finalidade do elemento estrutural. A argamassa a ser utilizada em reparos superficiais de concreto deve ser definida, basicamente, em função da deterioração ocorrida, na qualidade final desejada e no custo.

O graute é um desses materiais de reparo que pode ser utilizada para reparar superficiais de qualquer tamanho em área, mas apenas para pequenas profundidades, e mantendo-se uma certa relação com a área. Normalmente, é empregada para os casos quando a camada de concreto de cobrimento das armaduras está deteriorada.

SILVA JUNIOR (2001) apud MATTOS (2002), sugere que as argamassas de reparo, devam possuir os níveis mínimos de valores nas propriedades mais importante, conforme citado na Tabela 2.2.

Tabela 2.2: Níveis mínimos para propriedades das argamassas de reparo.

Propriedades Valor mínimo

Resistência à compressão 10,0 MPa Resistência à flexão 2,0 MPa Resistência à tração 1,0 MPa Modulo de deformação 5,0 GPa

* Fonte: Modificada de Silva Junior, 2001.

(22)

O uso de concretos de alto desempenho (a exemplo do concreto geopolimérico) está tornando obsoleto o uso de reparos feitos à base de resinas epóxi, pois sobre a superfície do substrato limpa, rugosa e úmida, consegue-se uma aderência de até 100%.

Nos reparos em estruturas de concreto, a adequada composição de materiais e o amplo conhecimento sobre os mesmos podem resultar na confecção de um concreto ou argamassa de elevado desempenho (Geopolimérico), apresentando não só uma expectativa muito otimista no que diz respeito à durabilidade do reparo frente a agentes agressivos, mas também, de acordo com as condições do substrato, uma condição de aderência satisfatória, para que se restaure o caráter monolítico da estrutura.

O fator-chave para uma melhor transferência de tensões entre diferentes concretos ou outros materiais é a melhoria da qualidade da interface material de reparo/concreto velho. O mecanismo de transferência de esforços de cisalhamento pela superfície de contato é semelhante à transferência de esforços da barra de aço para o concreto, por aderência, condição indispensável a qualquer tipo de reparo bem sucedido, e pode ser dividido em três parcelas: adesão; atrito e ação mecânica.

Segundo SELMO (2007), a aderência é um termo genérico usado para descrever a resistência mecânica e o contato resultante entre a argamassa endurecida e uma base porosa, onde o tratamento do substrato e a reologia das argamassas determinam o desenvolvimento da aderência entre a argamassa de reparo e o substrato de concreto.

SELMO (2007), cita que ao se analisar o mecanismo de aderência entre duas superfícies, é importante observar que esse mecanismo se desenvolve em duas etapas distintas, consecutivas e intrinsecamente correlacionadas, a primeira ocorre ainda no estado fresco, é a adesão inicial, ocorre quando a argamassa, ainda no estado plástico entra em contato com o substrato poroso; a segunda etapa, se processa ao com o endurecimento da argamassa, definida como a aderência propriamente dita.

A metodologia para avaliação de aderência de argamassas de reparo é muito

pouco discutida no Brasil, SELMO (1989) foi uma das primeiras pesquisadoras a estudar e

a interpretar os fenômenos e mecanismos de aderência. Depois, Carasek (1996),

questionando as conclusões do pesquisador antecessor, estudou também o fenômeno da

aderência. No exterior já se dispõe de algumas normas para este fim.

(23)

Segundo CLÍMACO (1991), os ensaios utilizados na avaliação da aderência devem simular um estado de tensões que represente, as condições da estrutura em serviço;

devem fornecer baixo coeficiente de variação, sendo sensível à propriedade medida e devem possuir um procedimento de teste de simples reprodução.

No desenvolvimento das pesquisas sobre aderência, vários testes foram adotados, a principal diferença entre eles diz respeito ao tipo de esforço que é aplicado na interface entre os dois materiais.

As normas francesas NF P 18-851 (1992), resistência de aderência ao cisalhamento na flexão; NF P 18-853 (1986), resistência de aderência à tração direta; NF P 18-872, teste de compressão-cisalhamento em prisma com junta diagonal.

A ASTM C882-78, avalia a resistência de aderência de uma resina epóxica pelo teste dos cilindros de 76x152mm de argamassa de cimento Portland. Os cilindros são reconstituídos pela colagem com epóxi de dois meios-cilindros ou por moldagem com nova argamassa, com um ângulo da junta de 30˚ em relação ao eixo do cilindro.

Clímaco (1991) cita ainda, outros ensaios para a avaliação da aderência de sistemas de reparo, tais como: resistência de aderência à tração na flexão; resistência de aderência ao cisalhamento oblíquo por compressão; resistência de aderência ao cisalhamento direto.

Nesse trabalho, o ensaio de resistência de aderência ao cisalhamento na flexão adotado foi o prescrito na NF P 18-851 (1986), conforme Figura 2.5, onde o entalhe recebe o material de reparo (graute e geopolimero). A análise do comportamento do reparo, basea- se na NBR 12142 (1991) para determinação da resistência à tração na flexão e no modo de ruptura.

O ensaio é realizado com a aplicação da carga através de dois cutelos superiores distantes 10 cm, com o corpo-de-prova reconstituído voltado com a argamassa de reparo para baixo e apoiada em outros dois cutelos distantes 30 cm.

A interpretação dos resultados, depende do tipo de ruptura e pode ocorrer de

cinco formas diferentes conforme Figura 2.6.

(24)

Dissertação do Mestrado/UFBA/MEAU/Escola Politécnica/2009. 17 Figura 2.5 – Configuração do corpo-de-prova e do ensaio de resistência ao cisalhamento na flexão (NF P 18-

851, 1986). Desenho sem escala e dimensões em milímetros.

Figura 2.6 – Tipos de ruptura possíveis. Ensaio NF P 18-851, (AFNOR)1992.

(25)

C C ap a p í í t t u u lo l o 3 3. .

C C A AR RA AC CT TE ER RI I ZA Z AÇ ÇÃ ÃO O D DO O C C IM I ME EN NT TO O G G E EO OP PL LI IM ME ER RI IC CO O

3.1 Histórico do Cimento Geopolimerico

Durante a década de 70, muitos incêndios ocorridos na Europa fizeram com que o governo francês incentivasse estudos na área de novos materiais e de melhoria daqueles existentes. Os laudos médicos e boletins de ocorrência revelaram que a intoxicação por inalação dos gases liberados pela queima de materiais poliméricos orgânicos era a causa da morte da maioria das vítimas, e não somente as queimaduras e escoriações sofridas (DAVIDOVITS, 1994).

Alguns pesquisadores franceses passaram a investigar as causas da durabilidade de alguns materiais que resistiram aos incêndios e, principalmente aqueles constituintes de estruturas antigas que permaneciam intactas, ou pouco abaladas. Das investigações, concluiu-se que o principal composto presente nessas estruturas era a calcita (CaCO

3

) e algumas espécies de vários aluminossilicatos complexos com estrutura amorfa (DAVIDOVITS, 1987).

O uso de argilominerais naturais em conjunção com álcalis (3-6% NaOH e KOH) para produzir ligantes minerais de alto desempenho foi assunto de longos anos de investigação de Davidovits (1988), que percebeu o fato de que simples condições hidrotérmicas governam a síntese de alguns polímeros orgânicos e também de minerais feldspatóides e zeólitas resistentes ao calor. A literatura científica e o banco de patentes indicavam que, antes de 1978, a geoquímica, que engloba o estudo da síntese de zeólitas e redes moleculares, não tinha sido investigada para o desenvolvimento de ligantes e polímeros minerais.

Os chamados geopolímeros ou polissialatos, uma terminologia adotada para

abreviatura de poli-silico-aluminatos, foram descritos pela primeira vez em 1981, onde são

apresentados vários exemplos de mistura de reagentes e processos de obtenção. Os

polissialatos apresentam características particulares que revelam o seu grande potencial de

aplicação como aglomerante, em substituição ao cimento Portland. Segundo o

DAVIDOVITS, trata-se de uma adaptação moderna de processos de estabilização de solos

(26)

confecção de aglomerantes estruturais.

Em uma publicação, intitulada “The Pyramids: An Enigma Solved”, é afirmado que as grandes pirâmides do Egito foram erguidas, há 4500 anos atrás, com blocos moldados com este material. Baseando-se em estudos mineralógicos e químicos, foi constatado que os blocos não são de pedra calcária natural, e sim de um concreto feito a partir da mistura de pedregulhos de calcário caulinítico oriundos de Gizé com NaOH, produzido in situ pela mistura de cal [Ca(OH)

2

], barrilha [Na

2

CO

3

] e água. Segundo as análises, as pedras calcárias naturais são compostas por folhas fossilizadas dispostas paralelamente entre si, em camadas sedimentares (DAVIDOVITS, 1988).

Nos blocos das pirâmides, entretanto, as camadas são orientadas aleatoriamente, como ocorre quando pedregulhos de calcário são aglomerados dentro do concreto. Estudos de difração de raios X de amostras removidas dos blocos das pirâmides de Cheops, Chefren, Teti e Sneferu indicam que a calcita (CaCO

3

) é a fase cristalina predominante.

Entretanto, um material amorfo composto por silicatos e aluminossilicatos complexos e um material criptocristalino (zeólita do tipo analcima, Na

2

O×Al

2

O

3

×4SiO

2

×2H

2

O), acompanham a microestrutura (DAVIDOVITS, 1988).

Estes compostos também são comumente encontrados em amostras de estruturas antigas existentes na Grécia, Cyprus e Itália, algumas com quase 9000 anos de idade. A excelente durabilidade dessas estruturas é considerada estar relacionada com a existência de tais compostos (DAVIDOVITS, 1988).

Encontram-se em fase de desenvolvimento, em vários lugares do mundo, vários

trabalhos de tese sobre a obtenção, caracterização e emprego dos geopolímeros

(polissialatos). A cinética das reações de síntese, principais funções dos diferentes

reagentes, influência da ordem de adição dos reagentes durante a síntese, além de outros

fatores que afetam as suas propriedades foram estudados. Utilizando espectroscopia de

ressonância magnética nuclear (RMN) no estado sólido, foi proposto um modelo molecular

que representa o arranjo formado pelas cadeias poliméricas dos polissialatos. A resistência

sob ataque químico e ciclagem térmica, o reforço com fibras contínuas e o desenvolvimento

de concretos de matriz de cimento polissialato também estão sendo implementados.

(27)

Excelentes resultados foram recentemente obtidos com a aplicação destes materiais em blindagens balísticas.

Os ligantes obtidos por ativação alcalina são também usualmente conhecidos por ligantes geopoliméricos. Em termos históricos este tipo de ligante, foi objeto de intensas análises por parte de investigadores do Leste da Europa, contudo somente quando em 1978 Joseph Davidovits introduziu o termo “geopolímero” tendo patenteado investigações sobre a polimerização de metacaulim é que a temática dos ligantes alcalinos sofreu um aumento considerável, quer em termos da investigação produzida, quer mesmo em termos de divulgação cientifica. Em termos físicos, os ligantes obtidos por ativação alcalina, compreendem fundamentalmente duas etapas, uma de dissolução da sílica e alumina da matéria prima, quando misturada com uma solução alcalina (ativador) e outra de policondensação e endurecimento dos produtos de reação numa estrutura polimérica. Ao nível fenomenológico, alguns investigadores afirmam que existem dois modelos distintos de ativação alcalina. As investigações sobre os ligantes ativados alcalinamente demonstram que é possível sintetizar ligantes a partir de resíduos aluminosilicatados ativados com soluções de elevada alcalinidade. No primeiro modelo, um bom exemplo é o da ativação de escórias de alto forno, um material com uma elevada percentagem de óxido de cálcio, que ao ser ativado com soluções alcalinas de baixa ou média concentração, origina produtos de reação do tipo silicato de cálcio hidratado (C-S–H). No segundo modelo, o material composto quase exclusivamente por sílica e alumina, é ativado por soluções alcalinas bastante concentradas originando-se uma reação de polimerização (DAVIDOVITS, 1988).

3.2 Obtenção, Estrutura e Propriedades do Cimento Geopolimérico.

Segundo (DIAS, 2001), para a obtenção do cimento geopolimérico, a fonte de

alumínio empregada deve ser um aluminossilicato da família dos filossilicados

(Si

2

O.5Al

2

O

2

), uma pozolana natural ou artificial apresentando estrutura amorfa com o

alumínio em número de coordenação IV, substituindo isomorficamente o silício nas folhas

tetraédricas. Como a razão Si/Al nesta pozolana é inferior a 3, uma fonte complementar de

silício, silicato de sódio comercial, deve ser empregado. Para obter um pH da ordem de 14,

necessário para dar início à polimerização, deve ser empregado também, como fonte

complementar de álcali, hidróxido de sódio e de potássio.

(28)

consiste de unidades funcionais compostas por tetraedros de SiO

4

(2Al), com o alumínio em número de coordenação IV promovendo o cruzamento das cadeias poliméricas.

Figura 3.1 - Estrutura tridimensional do cimento geopolimérico. Fonte: (DAVIDOVITS, 1988)

Este arranjo tridimensional com ligações cruzadas estabelece uma estrutura irregular de baixa mobilidade, que resulta em propriedades particulares, tais como:

a) Elevada resistência inicial

Estudos realizados por Silva (1999), mostraram que o cimento geopolimérico, quando curado a 65ºC por 4h, atinge resistência à compressão da ordem de 45 MPa. Esse mesmo nível de resistência foi alcançado aos 3 dias de idade, quando curado ao ar e a temperatura ambiente (22ºC). Aos 28 dias de idade, alcançou 60 MPa. Já o cimento Portland ARI-PLUS atingiu somente 20 MPa, após 4h, quando curado a temperatura de 65ºC. Foi verificada também uma queda na taxa de desenvolvimento da resistência. Aos 28 dias, atingiu apenas 36 MPa. Quando curado a temperatura ambiente, imerso em água em câmara úmida, sua resistência à compressão, aos 28 dias de idade, foi de 48 MPa.

b) Pega rápida

Estudos um pouco mais recentes (SILVA, 2000) mostraram que os tempos de início e fim

de pega dos cimentos geopoliméricos foram iguais a 40min e 1h45min, respectivamente, ou

seja, bem menores que aqueles apresentados pelos cimentos Portland (geralmente 1h15min

e 4h para início e fim de pega, respectivamente).

(29)

c) Baixa permeabilidade

Análises realizadas no microscópio eletrônico de varredura (DIAS, 2000) revelaram que o cimento geopolimérico possui microestrutura interna mais compacta em relação à do cimento Portland. Esta menor porosidade tem por efeito melhorar não somente as propriedades mecânicas, mas também a durabilidade do material. O cimento geopolimérico também apresentou uma rede de poros capilares bastante descontínuas, o que proporcionou maior resistência à penetração de agentes externos, que são à base dos fenômenos de hidrólise, de lixiviação ou de expansão e que prejudicam o concreto exposto a determinados tipos de ambientes agressivos (DIAS, 2001).

d) Elevada resistência à abrasão

Estudos de resistência ao desgaste mostraram que as perdas de massa por abrasão superficial sofridas pelo cimento geopolimérico foram 50% menores que aquelas apresentadas pelo cimento Portland convencional (SILVA, 2000).

3.3 Álcali-ativação

Cimentos novos, alternativos ao cimento Portland, de baixa emissão de CO

2

têm sido muito estudados pelos pesquisadores em todo o mundo, além da busca de novas formas de utilização de subprodutos das indústrias, com uso de tecnologias alternativas.

Cimento álcali-ativado foi obtido e publicado pela primeira vez em 1985 por Davidovits. A química que explicam estes cimentos é através tecnologia de álcali-ativação de materiais ricos em sílica (SiO

2

) e alumina (Al

2

O

3

), diferente da química que envolve o cimento Portland, que contam com mecanismo de hidratação do silicato de cálcio (Vargas, 2006).

Alguns investigadores, conforme cita PALOMO (1999) afirmam que existem

dois modelos distintos de ativação alcalina. No primeiro modelo, ocorre quando um

material com uma elevada percentagem de óxido de cálcio, origina produtos de reação do

tipo silicato de cálcio hidratado (C-S–H), ao ser ativado com soluções alcalinas de baixa ou

média concentração. No segundo modelo, o material é composto quase exclusivamente por

(30)

ao desencadeamento de uma reação de polimerização que foi patenteada por Davidovits.

VARGAS (2006) cita ainda, que a álcali-ativação, também chamada de geopolimerização, transforma estruturas amorfas (ou parcialmente amorfas), através de um processo químico, em compósitos bem compactados e cimentantes. Para que ocorra, no entanto, esse processo, é necessário um meio fortemente alcalino, onde assim, é possível dissolver certa quantidade de sílica e alumina (SiO

2

e Al

2

O

3

), bem como hidrolisar (que é decompor uma molécula pela ação da água) a superfície das partículas das matérias-primas.

Segundo DAVIDOVITS (1985), é recomendado que se respeite determinadas razões atômicas, para se obterem bons resultados em termos mecânicos e de durabilidade, tais como os abaixo citados:

0,20 < Na

2

O/SiO

2

< 0,48 3,30 < SiO

2

/Al

2

O

3

< 4,50 0,80 < Na

2

O/ Al

2

O

3

< 1,60

Vários parâmetros interferem na estrutura e nas propriedades físicas dos materiais álcali-ativados, tais como: quantidade de água, história térmica da matéria-prima, grau de cristalinidade ou amorfismo, tamanho das partículas e cura térmica. Nesse processo, o desarranjo das ligações de Si-O-Si e de Al-O-Al, ocorrem através de reações exotérmicas, onde os íons de silício e alumínio passam para uma solução. A matéria-prima tem sua estrutura destruída, gerando novos produtos, que começam a cumular por um período de tempo (período de indução) com liberação de uma pequena quantidade de calor.

Logo após, há uma condensação da estrutura (com forte liberação de calor), nessa fase é

que há o aparecimento de um novo material com propriedades cimentícia, contendo

estrutura mal ordenada, porém com alta resistência mecânica (Palomo, 1999) apud

VARGAS (2006).

(31)

C C ap a p í í t t u u lo l o 4 4. .

M M ET E TO OD DO OL LO OG GI IA A

4.1 Introdução

A metodologia é de caráter descritivo e de avaliação, do tipo experimental e

quantitativo, onde as amostras a serem ensaiadas e analisadas terão como limitação o tempo

e os custos, sendo os dados experimentais tabulados e tratados estatisticamente, através das

medidas de dispersões e de tendência central. Será realizada uma revisão bibliográfica

através de livros, artigos, dissertações de mestrado e de teses de doutorado sobre

aglomerantes (cimento geopolimérico), erros construtivos, técnicas de reparos de estruturas

e da propriedade de aderência entre materiais de diferentes idades.

(32)

Ca C a pí p ít tu ul lo o 5 5. .

O O BT B TE EN NÇ ÇÃ ÃO O E E C CA AR RA AC CT TE ER RI IZ ZA AÇ ÇÃ ÃO O D DO O C CA AU UL LI IM M E E M ME ET TA AC CA AU UL LI IM M 5.1 INTRODUÇÃO

Neste trabalho foram estudados e caracterizados desde sua obtenção, um argilomineral, o caulim e o material resultante de sua decomposição térmica (após calcinação), o metacaulim. Também se utilizou, no programa experimental, outros materiais, tais como cimento e agregados, que serão descritos posteriormente. Os ensaios empregados na caracterização desses materiais foram os descritos a seguir.

5.2 OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DO CAULIM

A matéria prima utilizada na produção do geopolimero (argamassa de reparo

utilizada no programa experimental), tem como origem o caulim calcinado – metacaulim. O

caulim foi obtido diretamente da mineradora de caulim Monte Pascoal Ltda., logo após o

beneficiamento (separação magnética para eliminar impurezas mineralógicas e tratamento

para remover o ferro presente no minério para elevar o índice de alvura), extraída de uma

jazida situada na cidade de Itamarajú, no sul do estado da Bahia, onde ocorrem grandes

depósitos desse material. Conforme citado por BERTOLINO (2000), as minas localizadas

nessa região, são constituídas por uma seqüência de aproximadamente 30 m de espessura,

contendo aproximadamente 100 milhões de toneladas de minério. O caulim é um solo

argiloso composto por aluminossilicatos lamelares e naturais, basicamente formado pela

caulinita, resultantes de alteração química das rochas feldspaticas (por intemperismo ou

meteorização - hidrotermica), esses depósitos pertencem a uma grande unidade geológica

denominada Grupo Barreiras, formada por extensos depósitos de sedimentos terrígenos

dispersos na forma de tabuleiros em patamares ligeiramente inclinados para o litoral. Os

sedimentos são constituídos por camadas de espessura variada de sedimentos arenosos de

coloração bege ou levemente esbranquiçado, ricos em caulinita e quartzo. Figura 5.1 mostra a

localização da cidade de Itamarajú – Ba.

(33)

Figura 5.1: Localização da cidade de Itamarajú – Ba. Fonte: IBGE, 2009.

5.3 OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DO METACAULIM

Metacaulim é um material obtido do caulim, após tratamento térmico conveniente com vista à desidroxilação e alteração da coordenação do alumínio, material que pode ser ativado alcalinamente (Davidovits, 1991). Esta transformação ocorre pela perda de água da caulinita, dando origem a uma estrutura amorfa. Se o processo de calcinação continuar, a elevação da temperatura provoca uma recristalização da fase amorfa da metacaulinita para uma fase cristalina intermediaria chamada de espinélio até a nucleação da mulita (MOTHÉ, 2004).

O metacaulim já foi amplamente estudado em função da sua atividade pozolanica (por reagir bem com o óxido de cálcio) e devido ao seu efeito microfiler, tendo potencial de utilização como aditivo mineral para produção de concretos de alto desempenho similares aos obtidos com sílica ativa, conforme citado por CORDEIRO (2001).

CORDEIRO, 2001 diz ainda que a argila caulinítica torna-se reativa quando calcinada entre 500º e 850ºC, pois nessa faixa de temperatura ocorre a desidroxilação da caulinita, resultando em um material amorfo, com estrutura desordenada e elevada reatividade. Vários fatores influenciam no comportamento reativo da metacaulinita, tais como tipo de forno, tempo de permanência, taxas de aquecimento e resfriamento.

A desidroxilação da caulinita ocorre conforme equação x.xx, e em torno de 500˚C,

Al

2

Si

2

O

5

(OH)

4

→ Al

2

Si

2

O

7

+ 2H

2

O (Equação x.xx)

(caulinita) (metacaulinita) ( gás)

(34)

5.3.1 Moagem do metacaulim

A moagem diminui o tamanho das partículas de materiais sólidos, conseqüentemente aumentando a superfície especifica que melhora a velocidade de reação (ou atividade) de determinadas materiais-primas. Essa etapa supre alguma deficiência que porventura permaneça do processo de calcinação, conforme citado por DAL MOLIN (2002).

Além disso, materiais mais finos resultam numa microestrutura mais uniforme e conseqüentemente, conduz a uma resistência mecânica elevada.

Sabe-se que a evolução das reações e da resistência mecânica de materiais cimentícios é significantemente acentuada com o aumento da superfície especifica (VERBECK e HELMUTH, 1968). Alem disso, materiais mais finos resultam numa microestrutura mais uniforme e conseqüentemente, conduz a uma resistência mecânica elevada.

No metacaulim o tamanho de suas partículas varia de 0,2 a 15 μm (DOMONE, 2001) e sua área específica encontra-se em valores maiores que 12 m

²

/g (KHATIB e WILD, 1996).

As pozolanas podem contribuir para o ganho de resistência mecânica e redução de água para a trabalhabilidade devido o efeito físico das partículas na distribuição granulométrica do sistema. Este fenômeno é mais acentuado para pozolanas mais finas, como a sílica ativa e o metacaulim. O metacaulim possui diâmetro médio das partículas em 2,0 μm enquanto o cimento Portland 45 μm.

A distribuição granulométrica influenciará principalmente no empacotamento e na distribuição das partículas que irão reagir com o hidróxido de cálcio livre ou servirão de material particulado que preencherá vazios intersticiais. Mesmo o material pozolânico que não reagiu pode ter a função de filler (GOLDMAN e BENTUR, 1992).

A dureza e granulometria inicial do material são fatores que condicionam a evolução do Grau de Moagem. Segundo a bibliografia, para se ter uma alta reatividade, o diâmetro médio dos grãos tem que estar em torno de 3 μm.