MONICA MENEGAZ MARTINS
INVESTIGAÇÃO DA INFLUÊNCIA DO USO DE MATERIAIS CIMENTÍCIOS SUPLEMENTARES EM SUBSTITUIÇÃO PARCIAL AO CIMENTO PORTLAND
Tubarão 2018
MONICA MENEGAZ MARTINS
INVESTIGAÇÃO DA INFLUÊNCIA DO USO DE MATERIAIS CIMENTÍCIOS SUPLEMENTARES UTILIZADOS EM SUBSTITUIÇÃO PARCIAL AO CIMENTO
PORTLAND
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Universidade do Sul de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do título de Engenheira Civil.
Orientador: Prof. Rennan Medeiros, Esp.
Tubarão 2018
MONICA MENEGAZ MARTINS
INVESTIGAÇÃO DA INFLUÊNCIA DO USO DE MATERIAIS CIMENTÍCIOS SUPLEMENTARES UTILIZADOS EM SUBSTITUIÇÃO PARCIAL AO CIMENTO
PORTLAND
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado à obtenção do título de Engenheira Civil e aprovado em sua forma final pelo Curso de Engenharia Civil da Universidade do Sul de Santa Catarina.
Tubarão, 19 de junho de 2018.
______________________________________________________ Professor e orientador Rennan Medeiros, Esp.
Universidade do Sul de Santa Catarina
______________________________________________________ Prof. Maurício Alberto Büchelle Motta, Esp.
Universidade do Sul de Santa Catarina
______________________________________________________ Prof.ª Lucimara Aparecida Schambeck Andrade, Ms.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente, agradeço aos meus pais, Márcio e Rosana, por todo amor e incentivo, nesta e em todas as etapas da minha vida. Muito obrigada pelas vezes que disseram que tudo daria certo e por nunca medirem esforços para que isto se concretizasse. Vocês são meu exemplo, amo vocês.
Ao meu irmão, André Martins, por ser parceiro e estar ao meu lado, tanto nas horas de descontração, quanto nas horas ruins. Obrigado por todo o apoio e pelo amigo maravilhoso que és. Te amo.
Ao meu orientador, amigo e parceiro de todos os momentos, Rennan Medeiros. Obrigada por nunca se negar a me ajudar, por todos os ensinamentos, por nunca me deixar esquecer da minha capacidade e por me fazer ser uma pessoa melhor a cada dia. Obrigada por me aguentar e por ouvir pacientemente minhas reclamações durante a elaboração deste trabalho.
À minha amiga de longa data, Beatriz Anselmo, por ser sempre tão preocupada com todos, pelos conselhos e por estimular a fazer o melhor possível. Obrigada pela amizade e por me ajudar sempre.
Aos meus amigos do LEC, André Mello, Matheus Speck e Thomas Medeiros, pela companhia diária e descontração durante estes anos.
Ao Prof. Maurício A. Büchelle Motta e a Prof.ª Lucimara A. Schambeck, por aceitarem participar desta banca e contribuírem com a conclusão deste trabalho.
Aos amigos que fiz durante esta graduação, em especial à Eloísa Anacleto, pela companhia durante às aulas e fora dela. Obrigada por tornarem estes cinco anos e meio mais amenos.
Às minhas amigas Fernanda Vieira, Milene Redivo e Tamires Gomes, que apesar de terem seguido caminhos diferentes do meu, estiveram presentes em todos os momentos que precisei.
À todas as pessoas que não citei, mas que fizeram parte, direta ou indiretamente, de toda a graduação e durante a elaboração deste trabalho. Muito obrigada a todos.
RESUMO
Há muito tempo o concreto é considerado o segundo material mais consumido no mundo, o que implica em alto consumo de cimento. A produção de cimento emite, na atmosfera, uma expressiva quantidade de CO2, o que torna necessária a busca de soluções para reduzir o impacto ao meio ambiente. Diversas indústrias geram resíduos que, após beneficiamento, passam a possuir propriedades que conferem, ao concreto, melhorias em suas características, através de reações químicas denominadas pozolânicas. A influência destes materiais nos compósitos cimentícios apresenta-se no estado fresco e endurecido. Porém, as normas vigentes para a avaliação destes materiais são pouco abrangentes, considerando apenas a resistência à compressão. Este trabalho visou analisar argamassas (concreto sem agregado graúdo) considerando as principais propriedades do concreto em ambos os estados, correlacionando com as características físicas e químicas dos materiais, buscando tornar mais fácil a verificação da influência em situações reais e a análise de novos Materiais Cimentícios Suplementares (MCS). Para isto foram escolhidos cinco materiais com diferentes propriedades: cinza de casca de arroz, cinza volante, metacaulim, fíler calcário e sílica ativa. Desta forma, foi possível propor um método adequado para avaliação de diferentes MCS, baseado em métodos já utilizados nas literaturas, comprovando a eficiência dos materiais para os concretos e argamassas.
Palavras-chave: Materiais Cimentícios Suplementares. Atividade pozolânica. Slump de bancada.
ABSTRACT OU RÉSUMÉ OU RESUMEN
Long time the concrete is considered the second material most consumed in the world, what implies in high cement consumption. Cement production emits a significant amount of CO2 to the atmosphere, what makes the search for solutions to reduce the impact on the environment a necessity. Several industries generates residues, which after processing possess properties that give improvements to the concrete characteristics through chemical reactions called pozolanic ones. The influence of these materials on the cement composite presents itself in fresh or hardness stage. However, current rules for evaluation of these materials are inconspicuous, considering only the compressive strength. This work aimed to analyze mortars (concrete without large aggregate) considering their main properties of concrete in both stages, correlating with physical and chemical characteristics of the material, in order to find a way to become easier the verification of the influence in real situations and analysis of new Supplementary Cementing Materials (SCM).Thereunto, five materials with different properties were chosen: rice husk ash, fly ash, metacaulim, limestone filler and active silica. Then, it was possible propose an appropriate new method to evaluate SCM, based on methods already used in the literature, proving the efficiency of materials for concrete and mortars.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Índice de amorfismo CCA em função de sua temperatura de queima ... 24 Figura 2 – Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) de diferentes tipos de CCA ... 25 Figura 3 – Difração por raios-X em pasta de Cimento Portland com adição de CCA ... 26 Figura 4 – Microscopia Eletrônica de Varredura de cinza volante classe F (a), cenosfera (b) e plerosfera (c) ... 28 Figura 5 – Microscopia Eletrônica de Varredura de fíler calcário (a), fíler basáltico (b) e fíler gnaisse (c) ... 31 Figura 6 – MEV de três diferentes metacaulins ... 32 Figura 7 – Difração por raios-X em pasta de Cimento Portland com adição de metacaulim .. 34 Figura 8 – Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) da sílica ativa ... 35 Figura 9 – Matriz cimentícia de concreto convencional com e sem adição mineral ... 36 Figura 10 – Difração de raios-x em pasta de Cimento Portland com adição de sílica ativa .... 37 Figura 11 – Gráfico para determinação da pozolanicidade ... 43 Figura 12 – Organograma principal da pesquisa ... 48 Figura 13 – Ensaios para caracterização dos MCS... 49 Figura 14 – Relação entre as resistências de concreto e argamassa com igual relação água/cimento ... 50 Figura 15 – Sequência dos ensaios em argamassa no estado fresco ... 52 Figura 16 – Equipamento para avaliação da consistência de argamassa – fração do concreto sem agregado graúdo (Slump de bancada) ... 53 Figura 17 – Sequência dos ensaios em argamassa no estado endurecido ... 54 Figura 18 – Distribuição granulométrica a laser dos MCS e do cimento ... 56 Figura 19 – Correlação entre tamanho dos grãos dos MCS e o Chapelle. a) D10 vs Chapelle. b) D50 vs Chapelle. c) D90 vs Chapelle ... 57 Figura 20 – Demanda de água por traço de argamassa ... 59 Figura 21 – Correlação entre tamanho médio dos grãos das pastas cimento Portland/MCS e a demanda de água ... 60 Figura 22– Resultados dos ensaios para determinação da consistência ... 61 Figura 23 – Correlação entre o slump de bancada e o espalhamento a) estático. b) dinâmico 61 Figura 24 – Resultados do ensaio de teor de ar incorporado ... 62 Figura 25 – Resultados de resistência à compressão aos 7 dias com cura a 23ºC e 38ºC ... 63
Figura 26 - Resultado do teste Duncan para a resistência à compressão aos 7 dias com cura à 23ºC ... 63 Figura 27 - Resultado do teste Duncan para a resistência à compressão aos 7 dias com cura à 38ºC ... 64 Figura 28 - Resultados de resistência à compressão aos 28 dias com cura a 23ºC e 38ºC ... 65 Figura 29 - Resultado do teste Duncan para a resistência à compressão aos 28 dias com cura à 23ºC ... 65 Figura 30 - Resultado do teste Duncan para a resistência à compressão aos 28 dias com cura à 38ºC ... 66 Figura 31 - Correlação entre resistência à compressão aos 28 dias com cura a) 23ºC e b) 38ºC e o Chapelle ... 67 Figura 32 – Resultados do ensaios de absorção de água por capilaridade aos 28 dias nas curas à 23ºC e 38ºC ... 68 Figura 33 - Resultado do teste Duncan para a absorção de água por capilaridade aos 28 dias com cura à 23ºC ... 68 Figura 34 - Resultado do teste Duncan para a absorção de água por capilaridade aos 28 dias com cura à 38ºC ... 69
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Composição química da CCA ... 26
Tabela 2 – Composição química de uma cinza volante... 29
Tabela 3 – Análise das partículas de filer: relação de aspecto, angularidade e rugosidade, e fator de forma (FF) ... 31
Tabela 4 – Composição química do metacaulim ... 33
Tabela 5 – Composição química da sílica ativa ... 37
Tabela 6 – Massa dos materiais a serem utilizados para execução do ensaio ... 39
Tabela 7 – Massa dos materiais a serem utilizados para execução do ensaio ... 40
Tabela 8 – Propriedades físicas cimento CP V... 45
Tabela 9 – Propriedades químicas do cimento CP V ... 46
Tabela 10 – Características do aditivo CR 3414 ... 46
Tabela 11 – Propriedades físicas dos agregados miúdos utilizados ... 47
Tabela 12 – Traços utilizados nesta pesquisa ... 51
Tabela 13 – Composição química por fluorescência de raio-X dos MCS... 55
Tabela 14 – Características físicas e capacidade de fixação do CaOH2 dos MCS ... 56
Tabela 15 – Coeficientes que investigam a correlação entre uma variável dependente e outra independente - Figura 19 ... 58
Tabela 16 – Coeficientes que investigam a correlação entre uma variável dependente e outra independente - Figura 21 ... 60
Tabela 17 – Coeficientes que investigam a correlação entre uma variável dependente e outra independente – Figura 23 ... 61
Tabela 18 - Coeficientes que investigam a correlação entre uma variável dependente e outra independente – Figura 31 ... 67
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1 – Índice de atividade pozolânica com cimento Portland aos 28 dias... 39
Equação 2 – Determinação da massa de material pozolânico para o traço ... 40
Equação 3 – Determinação do hidróxio de cálcio fixado ... 41
Equação 4 – Determinação da concentração de íons hidroxila ... 42
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
ABRAFE Associação Brasileira dos Produtores de Ferroligas e Silício Metálico ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
ANOVA Análise de Variância
ASTM American Society for Testing and Materials BET Brunauer, Emmett, Telle
CAA Concreto Autoadensável CAD Concreto de Alto Desempenho CCA Cinza de Casca de Arroz
CONAB Companhia Nacional de Abastecimento CP II F Cimento Porland Composto com fíler
CP II F-32 Cimento Portland Composto com fíler com resistência de 32 MPa
CV Cinza Volante
EDTA Ácido Etilenodiamino Tetra-acético Eq. Alc. Equivalente alcalino
FAS Foreign Agricultural Service FC Fíler Calcário
FF Fator de forma
IAP Índice de atividade pozolânica IC Índice de Consistência
IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas MCAR Metacaulim de alta reatividade MCS Material Cimentício Suplementar MEV Microscopia eletrônica de varredura
MT Metacaulim
PF Perda ao fogo
RI Resíduos insolúveis SA Sílica Ativa
SNIC Sindicato Nacional da Industria do Cimento USDA United States Department Of Agriculture UTL-C Usina Termelétrica C
LISTA DE SÍMBOLOS CO2 Dióxido de Carbono
CH Portlandita
C-S-H Silicato de Cálcio Hidratado
C-A-S-H Silico-aluminato de Cálcio Hidratado pH Potencial hidrogeniônico
a.C. Antes de Cristo
C3S Sílicato tricálcico - Alita C2S Sílicato bicálcico - Belita C3A Aluminato tricálcico - Celita
C4AF Ferro aluminato tetracálcico - Ferrita ºC Graus Celsius (unidade de temperatura) g Gramas (unidade de massa)
cm³ Centímetro cúbico (unidade de volume) SiO2 Dióxido de Silício
Al2O3 Óxido de alumínio Fe2O3 Óxido de ferro (III) CaO Óxido de cálcio K2O Óxido de Potássio SO3 Trióxido de Enxofre MgO Óxido de Magnésio
C Cristobalita
P Portlandita
S Silicato de cálcio hidratado
kW quilowatt
t tonelada
m micrometro
FRX Fluorescência de raios-X TiO2 Dióxido de Titânio ZnO Óxido de zinco MnO Óxido de Manganês Cr2O3 Óxido de Cromo SrO Óxido de Estrôncio
CuO Óxido de cobre Rb2O Óxido de Rubídio Y2O3 Óxido de Ítrio PbO Óxido de Chumbo Ga2O3 Óxido de Gálio Ge2O3 Óxido de Germânio NiO Óxido de Níquel (II) ZrO2 Dióxido de Zircónio V2O5 Pentóxido de Vanádio NbO Óxidos de nitrogênio
C-A-H Aluminato de cálcio hidratado
C-A[Fe]-S-H Sílico-ferro-aluminato de cálcio hidratado
m² Metro quadrado
kg Quilograma
a/c Relação água/cimento SiO Óxido de Silício MPa Megapascal
mm milimetro
cm centímetro
fcB Resistência média final da argamassa B fcA Resistência média final da argamassa A CaOH2 Hidróxido de cálcio
𝛿𝑝𝑜𝑧 Massa específica da pozolana 𝛿𝑐𝑎𝑙 Massa específica da cal
ml mililitro
HCl Ácido clorídrico
m metro
ICaOH2 Índice de atividade pozolânica
V3 Volume necessário para titulação da solução com material pozolânico V2 Volume necessário para titulação da solução padrão
Fc Fator de correção do HCl m2 Massa do material pozolânico P.A. Puro para análise
V3 Volume de HCl determinado para a solução A F2 Fator de correção do HCl
VA Volume de EDTA determinado para a solução B F1 Fator de correção do EDTA
CaO L Óxido de Cálcio livre
Fck Resistência característica do concreto 𝐷10 Diâmetro 10% material passante 𝐷50 Diâmetro 50% material passante 𝐷90 Diâmetro 90% material passante
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO... 17
1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO DO TEMA ... 17
1.2 DELIMITAÇÃO DO PROBLEMA DE PESQUISA ... 18
1.3 HIPÓTESES ... 19
1.4 OBJETIVOS ... 19
1.4.1 Objetivo Geral ... 19
1.4.1.1 Objetivos Específicos ... 19
1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 20
2 MATERIAIS CIMENTÍCIOS SUPLEMENTARES ... 21
2.1 CINZA DE CASCA DE ARROZ ... 23
2.2 CINZA VOLANTE ... 27
2.3 FÍLER DE CALCÁRIO ... 29
2.4 METACAULIM ... 31
2.5 SÍLICA ATIVA ... 34
3 MÉTODOS NORMATIZADOS PARA AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DOS MCS NAS PROPRIEADES DO CONCRETO ... 38
3.1 ÍNDICE DE ATIVIDADE POZOLÂNICA COM CIMENTO PORTLAND ... 38
3.2 ÍNDICE DE ATIVIDADE POZOLÂNICA COM CAL ... 40
3.3 CHAPELLE MODIFICADO ... 41 3.4 MÉTODO FRATINI ... 42 3.5 CONSIDERAÇÕES PRELIMINARES ... 43 4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 45 4.1 MATERIAIS UTILIZADOS ... 45 4.1.1 Cimento Portland ... 45 4.1.2 Água ... 46 4.1.3 Aditivo ... 46 4.1.4 Agregados ... 47
4.1.5 Materiais Cimentícios Suplementares ... 47
4.2 PROGRAMA EXPERIMENTAL ... 48
4.2.1 Caracterização dos MCS ... 49
4.2.2 Ensaios em Argamassa... 49
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 55 5.1 CARACTERIZAÇÃO DOS MCS ... 55 5.2 ESTUDO EM ARGAMASSA ... 58 5.2.1 Estado fresco ... 58 5.2.2 Estado endurecido ... 62 6 CONCLUSÃO ... 70 REFERÊNCIAS ... 73
1 INTRODUÇÃO
Dentre os materiais utilizados no âmbito da construção civil, destaca-se o cimento Portland, sendo o aglomerante mais utilizado para produção de compósitos cimentícios no mundo, como os concretos e as argamassas. Conforme o Sindicato Nacional da Indústria do Cimento (SNIC, 2017), no Brasil, há cerca de 100 fábricas de cimento, que produziram em 2016, aproximadamente 57 milhões de toneladas deste material. Estudos realizados por Schneider (2015) estimam que a produção de cimento deve duplicar até o ano de 2050.
No entanto, o processo de produção do cimento Portland é um grande aliado da emissão de gases poluentes na atmosfera, podendo liberar aproximadamente uma tonelada de gás carbônico (CO2) para cada tonelada de cimento produzida. Isto acontece devido ao elevado consumo energético da indústria cimenteira e a decomposição do calcário em seu processo, sendo esta a matéria prima básica do cimento. Expressando em números, a produção deste material é responsável por cerca de 3 a 8% da emissão global de CO2 (NANOCEM, 2016).
1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO DO TEMA
Considerando o aumento da preocupação com questões ambientais nas últimas décadas, buscou-se alternativas ao uso do cimento Portland. Seu desempenho em concretos e argamassas tem eficácia comprovada, tanto no estado fresco quanto no endurecido. Por este motivo, há uma procura por materiais com ação semelhante ao do cimento Portland que possam substituí-lo, mesmo que parcialmente. O que se busca nestes materiais alternativos é a atividade pozolânica, que ocorre quando há presença de sílica vítrea, em quantidades satisfatórias, que na presença de água pode se combinar com a portlandita (CH), à temperatura ambiente, para formar Silicato de Cálcio Hidratado (C-S-H), muito similar ao formado durante a hidratação do cimento Portland, e Silicoaluminato de Cálcio Hidratatado (C-A-S-H). Ainda, o benefício é ampliado, quando se considera que a CH poderia vir a se tornar carbonato de cálcio, fenômeno da carbonatação, que é prejudicial ao concreto armado, pois reduz o pH do concreto, facilitando a corrosão das armaduras.
Estes materiais alternativos são, atualmente, classificados como Materiais Cimentícios Suplementares (MCS) e podem ser encontrados em forma de resíduos de outras indústrias: cinza volante – resíduo das termoelétricas a carvão, a sílica ativa – resíduo da produção de ferro silício, o metacaulim – resíduo da produção de papel, cinza de casca de
arroz – resíduo da queima da casca do arroz, entre outros (DAL MOLIN, 2011; MEHTA, MONTEIRO, 2014; NEVILLE, 2016). Por serem materiais que possibilitam o uso em diferentes áreas, passou-se a classificá-los como subprodutos, ao invés de chamá-los de resíduos. O uso destes subprodutos auxilia ainda na redução dos materiais depositados na natureza, o que corrobora com a ideia de redução da poluição.
Analisando os métodos para avaliação da atividade pozolânica, cristalizados em normas nos países mais desenvolvidos, percebe-se que a atenção é voltada, exclusivamente para o estado endurecido, especificamente à resistência à compressão axial em 28 dias.
Porém, estudos identificaram que os MCS influenciam de forma significativa também nas propriedades no estado fresco, como na trabalhabilidade, podendo atuar de forma positiva, quando comparado a concretos e argamassas constituídos apenas por cimento Portland.
Por serem subprodutos de outras indústrias, o tipo do MCS utilizado pode variar quando se analisa diferentes locais, devido ao material disponível em cada região. Como o número de materiais que podem atender à esta demanda é elevado e não há um método padronizado para avaliar a sua influência em mais de uma propriedade, cada pesquisador utiliza seu próprio método, tornando seus resultados questionáveis e dificultosa a comparação entre diferentes materiais. Por este motivo, ressalta-se a necessidade da investigação da influência de substituição parcial do cimento por MCS de forma confiável e que permita o estabelecimento das relações custo benefício por parte das centrais dosadoras de concreto e de argamassas, verificando as necessidades específicas de cada compósito.
1.2 DELIMITAÇÃO DO PROBLEMA DE PESQUISA
Considerando que o uso dos MCS vem crescendo, em quantidade e na diversidade de origens, em razão de seus benefícios, tanto ambientais quanto para as propriedades dos concretos e das argamassas, além de sua variedade no mercado, é importante que haja uma avaliação que possibilite definir parâmetros para sua aceitação. Hoje, ao analisar as normas vigentes, nota-se uma deficiência no estudo das propriedades no estado fresco, além disso, os ensaios representam situações ideais, com equipamentos e materiais exclusivos de laboratório, que restringem sua aplicação com maior abrangência. Em razão do exposto, a dúvida que leva a investigar é: Poderá ser realizada uma avaliação do desempenho da substituição parcial de cimento Portland por Materiais Cimentícios Suplementares (MCS), que represente
situações reais e que considere, além de propriedades no estado endurecido, as propriedades no estado fresco?
1.3 HIPÓTESES
H1 – É possível realizar uma avaliação do desempenho da substituição parcial de cimento Portland por Materiais Cimentícios Suplementares (MCS), que represente situações reais e que considere, além de propriedades no estado endurecido, as propriedades no estado fresco. H2 – Não é possível realizar uma avaliação do desempenho da substituição parcial de cimento Portland por Materiais Cimentícios Suplementares (MCS), que represente situações reais e que considere, além de propriedades no estado endurecido, as propriedades no estado fresco.
1.4 OBJETIVOS
Neste item são apresentados o objetivo geral delineado para esta pesquisa e os objetivos específicos elencados para o seu alcance.
1.4.1 Objetivo Geral
Esta pesquisa tem como objetivo geral investigar a influência da substituição parcial do cimento Portland por diferentes materiais cimentícios suplementares.
1.4.1.1 Objetivos Específicos
a) Determinar o comportamento no estado fresco de argamassas contendo diferentes MCS, em diferentes teores;
b) Investigar a influência dos teores dos diferentes MCS nas propriedades físicas e mecânicas no estado endurecido de argamassas;
c) Determinar um método que melhor possibilite avaliar a influência dos MCS em concretos.
1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO
Este trabalho foi dividido em cinco capítulos, onde no primeiro é apresentada a introdução, que contempla importância, contextualização e relevância do tema selecionado para estudo, a delimitação do problema de pesquisa, os objetivos e a estrutura da pesquisa.
O segundo capítulo constitui a revisão de literatura, apresentando os principais aspectos dos principais Materiais Cimentícios Suplementares (MCS) disponíveis para a produção de concreto e argamassas como: Cinza de Casca de Arroz (CCA), Cinza volante (CV), Metacaulim (MT), Sílica Ativa (SA) e fíler calcário (FC). Destacando suas propriedades físicas e químicas, morfologia e reações pozolânicas.
No terceiro capítulo estão apresentados os métodos normatizados para a avaliação do desempenho dos MCS, já utilizados há vários anos, que abrangem ensaios químicos e mecânicos dos materiais, quando aplicados em argamassas.
No quarto capítulo são abordados os materiais e os métodos empregados no desenvolvimento desta pesquisa. O programa experimental desenvolvido especificamente para a presente pesquisa, com base nos estudos bibliográficos realizados e nos estudos preliminares de laboratório.
O capítulo cinco contém a apresentação dos resultados obtidos assim como suas discussões. Os resultados foram tratados estatisticamente afim de proporcionar sua aplicação em pesquisa futuras.
O capítulo seis contempla as conclusões obtidas com o desenvolvimento desta pesquisa.
2 MATERIAIS CIMENTÍCIOS SUPLEMENTARES
O uso de Materiais Cimentícios Suplementares (MCS) em concretos é conhecido desde os anos 1.500 a.C, mais especificamente na Grécia antiga e vem expandindo cada vez mais ao longo dos anos (DAL MOLIN, 2011). Estes materiais, também conhecidos como Adições Minerais, podem ser de origem natural, sendo eles originados de erupções vulcânicas ou argila calcinada, como também de origem artificial, como resíduos de outras indústrias que inicialmente seriam descartados. Hoje em dia, estas adições de origem artificial recebem o nome de subprodutos, devido a diversidade de sua aplicação, em especial, o uso em compósitos cimentícios.
O Cimento Portland, aglomerante mais utilizado no mundo para produção de concretos e argamassas, tem como matéria prima principal o clínquer, sendo este a junção de quatro principais compostos: Silicato Tricálcico ou Alita (C3S), Silicato Dicálcico ou Belita (C2S), aluminato tricálcico ou celita (C3A) e Ferro Aluminato Tetracálcico ou Ferrita (C4AF), conforme (BATTAGIN, 2011). São estes compostos que, ao entrar em contato com a água, iniciam a reação de hidratação do cimento e formam, principalmente, Silicato de Cálcio Hidratado (C-S-H) e Hidróxido de Cálcio - Portlandita (CH). O C-S-H é o composto que confere à pasta de cimento a resistência desejada e o CH proporciona o potencial hidrogeniônico (pH) elevado. O CH, apesar de apresentar vantagens ao concreto armado, servindo como uma proteção catódica ao aço, ao combinar-se com o gás carbônico (CO2) presente na atmosfera, forma, pelo processo de carbonatação, o Carbonato de Cálcio, reduzindo o pH do concreto deixando as armaduras susceptíveis a corrosão (HELENE, 1993). Estudos recentes destacam que o uso de MCS em matrizes cimentícias proporciona nucleação heterogênea para os hidratos de cimento, mesmo com MCS reativos ou inertes. Durante o primeiro período da cinética de hidratação do cimento, somente o efeito físico influencia na reação (LOTHENBACH; SCRIVENER; HOOTON, 2011; MACIEL, 2017).
O que atrai o interesse em um MCS é a elevada presença de sílica vítrea, capaz de reagir com os produtos da hidratação do cimento, mais precisamente com o CH, formando C-S-H muito semelhantes ao produzido durante a reação do cimento (NEVILLE, 1997; HOPPE FILHO, 2008; CINCOTTO, 2011). Sendo este último o composto que rege a resistência da pasta de cimento, como já fora citado anteriormente, a aplicação destes materiais nos compósitos cimentícios, quando em proporções adequadas, conferem propriedades benéficas a eles (NEVILLE; BROOKS, 2013). Conforme Malhotra e Mehta (1996) e Dal Molin (2011), os MCS podem ser classificados como pozolânico - que são materiais que não apresentam
propriedades cimentícias, ou seja, não possuem a capacidade de fornecer a mesma resistência que um cimento por si só. São materiais silicosos ou silico-aluminosos que trazem benefícios aos compósitos cimentícios por reagir com o hidróxido de cálcio resultante da reação de hidratação do cimento. Para esta, pode-se citar a cinza volante, cinza de casca de arroz, sílica ativa, entre outros. A segunda classe é denominada cimentante - que trata de materiais que são capazes de produzir produtos como os formados nos compostos apenas por cimento. No entanto, a velocidade de sua reação é muito baixa e seus produtos não apresentam uma quantidade suficiente para substituir completamente o cimento. Para este, pode-se citar a escória de alto forno. A última ordem desta classificação é o fíler - que não apresenta reações químicas, sendo suas melhorias apenas na parte física dos concretos e argamassas, sendo o mais comum o fíler de calcário. Nos últimos anos o fino de outras rochas também vem sendo empregados como fileres para a produção de concretos autoadensáveis.
Seus benefícios podem ser percebidos tanto no estado fresco quanto no endurecido, melhorando sua trabalhabilidade, durabilidade, além de reduzir a permeabilidade e o calor liberado durante a hidratação, que diminui a incidência de fissuração, entre outros. É necessário destacar que o uso dos MCS proporciona redução no calor de hidratação apenas em concretos com consumo de cimento baixo. Por estes motivos, conforme Mehta e Monteiro (2014), vem sendo amplamente utilizado para a produção de concreto especiais, como Concretos Autoadensáveis (CAA), Concretos de Alto Desempenho (CAD) e concretos massa. Para concretos massa utilizados em blocos de fundação, por exemplo, o comportamento é adverso. De acordo com Graeff (2017), em meios onde a temperatura supera os 50ºC a hidratação do MCS é ativada. Como nesses blocos de fundação gradientes de temperatura desta grandeza são facilmente alcançados, a substituição do cimento por MCS não deve ser utilizada como solução para o problema térmico. Seu uso é atrativo pelas modificações nas propriedades no estado fresco, como a viscosidade, a potencialização da evolução das propriedades mecânicas e a redução expressiva da permeabilidade, que contribui para uma maior durabilidade (JUNCKES, 2015; SALUM, 2016).b
Deve-se acrescentar que os MCS apresentam um maior consumo de aditivos superplastificantes. Isto ocorre porque estes são adsorvidos pela superfície dos grãos, que se apresentam mais finos e em maior quantidade por possuírem maior superfície específica, em muitos casos. Deste modo, para que o compósito atinja a fluidez necessária, deve-se calcular a quantidade de aditivo necessária para a reação com o cimento e acrescentar um teor que irá adsorver nos MCS (AITCÏN, 2000).
Neste trabalho, serão avaliados tanto materiais que possuem propriedades pozolânicas, quanto materiais que não possuem. Todos já apresentam propriedades determinadas em diversas literaturas, como Neville (1997), Dal Molin (2011), Mehta e Monteiro (2014), e Neville (2016). Optou-se pelo uso de MCS artificiais, devido à sustentabilidade aliada ao seu uso, além da disponibilidade destes na região de desenvolvimento da pesquisa.
2.1 CINZA DE CASCA DE ARROZ
Sabe-se que o arroz é um dos alimentos mais consumidos no mundo. De acordo com dados da Foreign Agricultural Service (FAS/USDA), presente no relatório de perspectivas para a agropecuária da Companhia Nacional de Abastecimento (CONAB), a produção mundial de arroz alcançou 721,15 milhões de toneladas de arroz e casca ou 483,66 milhões de toneladas de arroz beneficiado no biênio 2017-2018, totalizando pouco mais de 200 milhões de toneladas de casca (BRASIL, 2017). Conforme Del Carpio (2009, p. 28), “[...] a partir da queima incompleta da casca de arroz para obtenção de calor utilizado no processo de beneficiamento do cereal, cerca de 20% da massa da casca é convertida em cinza [...]”. Portando, somente no referido período foram obtidas cerca de 40 milhões de toneladas de Cinza de Casca de Arroz (CCA).
Righi (2015) explica que a combustão controlada desta casca remove a matéria orgânica de sua composição (lignina e celulose), que é parte predominante neste material, resultando em uma cinza que apresenta teor elevado de sílica vítrea microporosa, uma vez que em torno de 20% da casca de arroz é formada por silício. O teor sílica pode chegar em média a 90% (DELLA, 2005; SENSALE, 2006). Entretanto, Zeng e Li (2014) e Wang et al. (2017) comentam que o alto teor de sílica vítrea não garante um bom desempenho de uma pozolana. Isto é atribuído ao grau de amorfísmo desta fase, que é expressivamente influenciado pela queima. Cordeiro, Masuero e Dal Molin (2014) apresentam que este índice é diretamente influenciado pela temperatura de queima, tendo seus melhores resultados à 550ºC a 650ºC, conforme Figura 1.
Figura 1 – Índice de amorfismo CCA em função de sua temperatura de queima
Fonte: Adaptado de Cordeiro, Masuero e Dal Molin (2014, p. 156).
Pode-se perceber com estes resultados que, a partir da queima em temperatura de 950ºC, o grau de amosfismo reduz de forma expressiva, fazendo com que a CCA com estas características se torne, segundo este critério, menos adequadas para uso como material pozolânico. Porém, Cordeiro, Masuero e Dal Molin (2014) destacam que mesmo com os valores mais baixos de cinza amorfa, as argamassas produzidas apresentam atividade pozolânica condizente com os requisitos da NBR 5752 (ABNT, 2014). Comentários quanto a classificação pozolânica dos MCS estão no capítulo 3.
Quando são queimadas em situações não controladas, o que acontece normalmente durante o beneficiamento do arroz, as cinzas possuem uma maior quantidade de materiais cristalinos, com índice de amorfismo baixo, não sendo as mais recomendadas para uso como pozolana (DAL MOLIN, 2011). Isto ocorre devido a queima incompleta da matéria orgânica, principalmente carbono ou da forma de suas partículas. Quando se trata de matéria orgânica, a solução seria uma nova queima ou tratamentos químicos com ácido. Quando se trata de forma das partículas, deve-se realizar a moagem da cinza. Dal Molin (2011) salienta que CCA consideradas cristalinas, após moagem de 8 horas, apresentaram resultados em argamassas semelhantes aos indicados por CCA amorfas com moagem de 2 horas. Isso ocorre, pois, cinzas cristalinas possuem grandes quantidades de materiais amorfos que se tornam reativos apenas quando apresentam uma maior área específica, consequência da moagem de seus grãos. Entretanto, Prudêncio Jr., Santos e Dáfico (2013) ressaltam que há um tempo ótimo para esta moagem, pois esta cinza, quando possui grãos muito finos, apresentam dificuldades de dispersão nas argamassas e concretos. Demandando maior quantidade de aditivos a base de policarboxilatos para sua dispersão eficiente para garantir a hidratação de seus grãos.
Existe uma diversidade na coloração das CCA, que demostram, de forma visual, algumas características de sua composição podendo ir de branco-rosada, cinza até preto. Cinzas com coloração branco-rosadas apresentam sílicas cristalinas, obtidas através da queima em altas temperaturas, que retiram todo o carbono de sua composição (POUEY, 2006). A variação de cinza a preto, é decorrente da quantidade de carbono presente em sua estrutura, sendo que “[...] quanto mais escura, maior o teor de carbono, ou seja, maior a quantidade de matéria orgânica não queimada [...]” (DAL MOLIN, 2011, p. 280). Ainda considerando suas características físicas, a densidade média da CCA é em torno de 2,12 g/cm³.
Sua influência no estado fresco de compósitos cimentícios se dá pela melhora na coesão, redução da segregação e da exsudação, porém ocorre aumento na demanda de água e/ou de aditivo superplastificante (NEVILLE, 1997; PRUDÊNCIO JR.; SANTOS; DÁFICO, 2013; TUTIKIAN; DAL MOLIN, 2015). Para o aditivo, isso ocorre devido aos grãos serem mais finos e em maior quantidade que o cimento Portland, como acontece com os MCS em geral, conforme já destacado no capítulo 2. No caso da demanda de água, a necessidade de uma quantidade maior está relacionada a estrutura porosa de seus grãos, que exigem mais água para preencher seus vazios e revestir sua superfície, para assim reduzir o contato entre os grãos, o que também melhora sua fluidez (ROMANO; CARDOSO; PILEGGI, 2011). A forma porosa dos grãos de CCA podem ser percebidos na Figura 2.
Figura 2 – Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) de diferentes tipos de CCA
Fonte: Adaptado de Pouey (2006, p. 71).
De acordo com ensaios realizados por Pouey (2006), pode-se definir a CCA (a) como predominantemente amorfa, a cinza (b) como menos cristalina e a cinza (c) como mais cristalina. É possível observar uma grande presença de poros em sua microestrutura, corroborando com as propriedades descritas anteriormente.
No estado endurecido, Tutikian e Dal Molin (2015) salientam que sua principal melhoria ocorre na resistência mecânica à compressão axial e em sua durabilidade. Neville
(1997) corrobora que o ganho de resistência pode ser obtido já nas primeiras idades, isto se deve ao alto grau de reatividade deste material, influenciado preponderantemente pelo seu grau de amorfísmo, já que o teor de sílica vítrea excede os 90% de sua composição. Entretanto, o uso de CCA tem uma influência negativa a alguns aspectos, pois há aumento da retração dos compósitos cimentícios.
Os produtos da reação de hidratação da CCA estão ligados à sua composição química. Uma análise química realizada por Hoppe Filho et al. (2017), executada pelo método de fluorescência de raios-X identificou os seguintes compostos em sua estrutura:
Tabela 1 – Composição química da CCA Composição química (%)
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO K2O SO3 MgO
92,97 2,86 0,05 0,45 1,53 1,63 0,00
Fonte: Adaptado de Hoppe Filho et al. (2017, p. 4).
Por este motivo, é possível determinar que a CCA, em substituição parcial do cimento Portland em compósitos cimentícios, tem como produto de hidratação a cristobalita (C), já presente em sua estrutura inicial (7 dias), Portlandita (P) e Silicato de Cálcio Hidratado (S) (Hoppe Filho et al., 2017), confirmando assim sua ação como pozolana. Esses produtos podem ser vistos pelo ensaio de Difração de raios-X em pastas de cimento Portland com adição de CCA, conforme demonstrado pelos mesmos autores na Figura 3.
Figura 3 – Difração por raios-X em pasta de Cimento Portland com adição de CCA
Fonte: Hoppe Filho et al. (2017, p. 9).
Na Figura 3, pode-se observar os picos que representam os produtos de hidratação já citados. Considerando que o ensaio foi realizado aos 7 dias de idade da pasta de cimento, a presença do halo amorfo na estrutura e a portlandita demostram que as reações ainda não ocorreram totalmente até esta idade.
2.2 CINZA VOLANTE
As usinas termelétricas são a segunda maior fonte de geração de energia do Brasil, atrás somente das usinas hidrelétricas, conforme dados apresentados pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) em seu Banco de Informações de Geração (BRASIL, 2017). Estes dados demonstram uma potência associada de aproximadamente 43.000 kW dentre as usinas que estão em operação. Estas usinas utilizam diversos tipos de materiais como combustível, renováveis ou não, dentre eles, uma parcela expressiva é de carvão mineral. Na região sul, este combustível se destaca, devido sua grande quantidade disponível para extração. Conforme o Boletim Técnico de quantificação das cinzas de carvão fóssil produzidas no Brasil (2016), a Usina Termelétrica Jorge Lacerda, instalada na região sul de Santa Catarina, consome cerca de 200.000 t/mês de carvão proveniente de Criciúma, também em Santa Catarina. A queima deste carvão resulta em 84.000 t/mês de cinza, 80% desta quantidade é cinza volante.
Durante a queima do carvão nestas usinas, em uma temperatura de 1200ºC a 1600ºC (DAL MOLIN, 2011) são consumidos materiais voláteis e o carbono, enquanto outros materiais, como argilas, quartzo e feldspatos fundem-se. Este material “[...] é transportado para a zona de baixa temperatura, onde se solidifica em forma de partículas esféricas de vidro [...]” (MEHTA; MONTEIRO, 2014, p. 335). Quando estas partículas se aglomeram, formam cinzas com uma estrutura mais grosseira, que se depositam no fundo dos tanques, chamadas de cinza pesada. Quando ficam em suspensão e são carregadas pela exaustão dos gases, são chamadas de cinza volante (DAL MOLIN, 2011; MEHTA; MONTEIRO, 2014).
As cinzas volantes são constituídas principalmente de sílica e alumina, que formam os aluminossilicatos vítreos, porém também apresentam compostos cristalinos, como quartzo, mulita e hematita, o que pode reduzir sua atividade pozolânica, quando encontradas em grandes quantidades (MALHOTRA; MEHTA, 1996). Estas cinzas podem ser divididas em duas categorias, conforme normatizado pela C618 (ASTM, 2017): classe F, sendo estas as que possuem apenas atividade pozolânica, obtidas através da queima de carvão betuminoso e que possui SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 em porcentagens maiores que 70%; e classe C, proveniente da queima de carvão sub-betuminoso e lignita, possui propriedades tanto pozolânica quanto cimentícia, que possui SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 maiores que 50%. Mehta e Monteiro (2014) acrescentam que a classe F possui um teor de cálcio máximo de 15%, enquanto a classe C possui este teor entre 15% a 40%, de forma amorfa. A quantidade de carbono presente na cinza não deverá ser maior que 5%, pois esta característica influencia negativamente em seu
desempenho como pozolana. Neville (1997) destaca que as cinzas volantes de classe C tem propriedades cimentantes pois, por serem ricas em cálcio, reagem com seus aluminossilicatos, formando compostos semelhantes ao formado pela hidratação do cimento. Entretanto, não é aconselhado seu uso em concreto massa, pois o aumento da temperatura afeta a resistência de seu produto de hidratação.
Quanto a sua estrutura, como já citado anteriormente e pode ser verificado na Figura 4 (a), a cinza volante possui a forma de esferas. Porém, conforme Mehta e Monteiro (2014), a cinza volante possui entre suas partículas esferas ocas, que podem ser vazias, chamadas de cenosfera (Figura 4 b), ou preenchida com pequenas esferas (Figura 4 c), chamadas de plerosfera. Esta propriedade pode afetar a determinação da massa específica da cinza, por serem bem mais leves que uma esfera sólida. A densidade da cinza volante apresenta valores médios de 2,35 g/cm³.
Figura 4 – Microscopia Eletrônica de Varredura de cinza volante classe F (a), cenosfera (b) e plerosfera (c)
Fonte: Azevedo et al. (2017, p. 146); Silva e Agostinho (2016, p. 104); Millette et al. (2012, p. 81).
O tamanho das partículas de cinza varia de 1 µm a 100 µm, sendo que 50% se apresenta menor que 20 µm (MEHTA; MONTEIRO, 2014). A coloração da cinza é intimamente ligada a quantidade de carbono presente em sua composição, sendo que cinzas mais escuras possuem uma maior quantidade do elemento (NEVILLE, 1997), sendo influenciada pela tecnologia de queima do carvão.
Sua influência no estado fresco de concretos e argamassas está principalmente ligado à forma das suas partículas. Por possuir forma esférica, necessita de menos água para adquirir uma mesma consistência, quando comparados com concretos convencionais, sem adição de cinza (NEVILLE, 1997; MEHTA; MONTEIRO, 2014). Pode-se destacar ainda que a redução de água pode chegar a 20%, considerando a proporção de substituição do cimento Portland pela cinza.
No estado endurecido, estudos realizados por Huang et al. (2013), demonstram que a adição de cinza confere ao concreto pouca resistência em menores idades, porém seu crescimento é considerável em idades avançadas. Arezoumandi et al. (2015) destaca que o uso de cinza volante proporciona aumento no módulo de elasticidade do concreto. Além de a cinza volante promover ao concreto uma menor permeabilidade a íons cloreto, melhorar a durabilidade e, conforme Ramlochan et al. (2003), auxiliar na redução da retração em concretos submetidos a cura em elevada temperatura.
Analisando sua composição química, obtida por Espectrometria de fluorescência de raios-X (FRX), os resultados apresentados na Tabela 2 corrobora com o citado anteriormente, sobre a predominância de sílica e alumina na composição de uma cinza volante.
Tabela 2 – Composição química de uma cinza volante Composição química (%)
SiO2 Al2O3 Fe2O3 K2O CaO TiO2 Outros
óxidos* SiO2/Al2O3
#
56,03 29,41 6,16 3,78 2,07 1,80 1,24 3,88
*(ZnO, MnO, Cr2O3, SrO, CuO, Rb2O, Y2O3, PbO, Ga2O3, GeO2, NiO ZrO2, V2O5 SO3 e
NbO). # Razão molar
Fonte: Adaptado de Azevedo e Strecker (2017).
Devido a sua composição, a reação de hidratação da cinza volante pode resultar em diferentes compostos. Se a reação ocorrer apenas na sílica, o produto será silicato de cálcio hidratado (C-S-H). Caso ocorra com a sílica e com a alumina, o produto gerado será Silicato de Cálcio Hidratado (C-S-H), Aluminato de Cálcio Hidratado (C-A-H) e Silício-Aluminato de Cálcio Hidratado (C-A-S-H). Por fim, se reação acontecer com a sílica, a alumina e o ferro, os produtos de hidratação serão o Silicato de Cálcio Hidratado (C-S-H), Aluminato de Cálcio Hidratado (C-A-H) e Silício-Aluminato de Cálcio Hidratado (C-A-S-H) e o Sílico-Ferro-Aluminato de Cálcio Hidratado (C-A[Fe]-S-H) (MASSAZZA, 1998; MINDESS; YOUNG, 1981; FU et al., 2002 apud HOPPE FILHO, 2008).
2.3 FÍLER DE CALCÁRIO
O fíler é um material oriundo da britagem de rochas, sendo o material pulverulento remanescente deste processo. Por não trazer benefícios aos agregados, muitas vezes as indústrias utilizam métodos para a redução da produção de finos, não sendo totalmente eficazes para retirada destas partículas dos demais agregados. Schankoski (2017) relata que a captação deste material pode ser realizada por via úmida, através de rodas d’água
e bacias de decantação, e por via seca, através de peneiras com abertura de 0,40 mm, sendo a via úmida o mais produtivo entre estes métodos. Destas rochas britadas, cita-se o calcário, cujos finos já são utilizados na produção de cimentos Portland composto, em maior quantidade no CP II – F (Cimento Portland composto com fíler), além de outros tipos de cimentos Portland brasileiros. Apesar disto, Garcia (2017) comenta que esta rocha ainda é pouco explorada, mesmo estando presente em cerca de 4% da crosta terrestre.
John et al. (2018) discorre que este material é utilizado tanto para substituição parcial do cimento Portland, quanto para substituição de outros MCS considerados reativos, visto que possui propriedades que auxiliam nos produtos de hidratação do cimento, além de auxiliar na redução de CO2, visto que não necessita do processo de calcinação.
Devido a sua classificação como MCS, conforme apresentado no capítulo 2 deste trabalho, sua principal influência em compósitos cimentícios não está ligada à sua composição química, tão pouco as suas reações com os produtos de hidratação do cimento Portland, mas sim ao efeito físico. Dal Molin (2011) e Schankoski (2017) corroboradas por Jung et al. (2018), pontuam que o principal efeito do fíler se dá pelo tamanho de suas partículas, devendo ser menor que as partículas predominantes de cimento Portland, uma vez que preenche os poros da matriz, ainda antes do fim de pega, criando pontos que permitem a nucleação heterogênea proporcionando o crescimento dos cristais de C-S-H não apenas pela nucleação homogênea. Isto acarreta no refinamento das propriedades mecânicas e na durabilidade das matrizes cimentícias mistas.
Outro fator importante a ser observado nos fileres, é a forma de seus grãos. Esta característica está associada à demanda de água do composto cimentício, sendo que grãos mais angulares e mais rugosos requerem mais água que grãos com superfícies mais regulares (MEHTA; MONTEIRO, 2014; SCHANKOSKI, 2017).
Schankoski (2017) investigou em sua pesquisa a forma dos grãos de fileres de calcário, basalto e granito gnaisse, obtendo resultados de que os de origem mineralógica de basalto e granito gnaisse são mais rugosos que o de origem de calcário. Desta forma, considera-se o fíler de calcário o mais indicado para uso na produção de concretos. A Figura 5 apresenta as imagens MEV dos fileres de calcário; basalto e granito gnaisse. A Tabela 3 apresenta os parâmetros de forma das partículas destes fileres.
Figura 5 – Microscopia Eletrônica de Varredura de fíler calcário (a), fíler basáltico (b) e fíler gnaisse (c)
Fonte: Schankoski (2017, p. 158)
Tabela 3 – Análise das partículas de filer: relação de aspecto, angularidade e rugosidade, e fator de forma (FF)
Filer Relação de
aspecto Angulosidade Rugosidade
Fator de forma
Calcário 1,42 1,11 1,33 12,18
Basalto 1,55 1,14 1,35 7,89
Granito 1,57 1,13 1,28 6,67
Fonte: Adaptado de Schankoski (2017, p. 158).
Kuo (2002) estabelece que uma diferença de 0,01 na angulosidade e na rugosidade das partículas é considerada significativa. Desta forma, pode-se dizer que as partículas de granito gnaisse apresentam menor rugosidade. Entretanto, de maneira geral, considerando os três parâmetros – relação de aspecto; angulosidade; rugosidade, o filer calcário é considerado o mais favorável para utilização na produção de concreto. As demandas de água obtidas por Schankoski (2017) foram menores para os concretos contendo fíler de calcário.
O uso de fíler de calcário na produção de concreto resulta na redução expressiva na demanda de água para uma mesma trabalhabilidade, proporcionando redução no consumo de cimento. No estado endurecido, sua contribuição se dá pela nucleação heterogênea, pois assim, os cristais de C-S-H se formam em maior quantidade no período de dormência da hidratação do concreto.
2.4 METACAULIM
O metacaulim é uma adição mineral proveniente da queima de argilas cauliníticas ou argilas especiais, como os caulins ou também do resíduo da indústria de papel (DAL MOLIN, 2011). Seu impacto ambiental positivo consiste na baixa emissão de CO2, considerado o vilão da indústria cimenteira, já que as argilas cauliníticas têm temperatura de
queima em torno de 700ºC, além de possuir baixo teor de carbono em sua composição (FONSECA, 2016). Em seguida, tem-se o auxílio do impacto referente ao consumo dos resíduos de papel que, de acordo com Dal Molin (2011), são utilizados devido ao seu alto teor de caulim puro e com uma finura satisfatória para utilização como material cimentício suplementar. Somente no ano de 2016, foram produzidas pouco mais de 10.000 mil toneladas de papel no Brasil.
Dal Molin (2011) explica que as argilas cauliníticas não possuem caráter pozolânico, porém seus compostos cristalinos passam a possuir uma estrutura amorfa quando submetida a certa temperatura de queima, isso ocorre devido a retirada dos íons hidroxila da fase cristalina. Esta estrutura cristalina é formada principalmente de aluminossilicosos, que faz com que o metacaulim seja composto principalmente de sílica e alumina, caracterizando-a como material pozolânico (VICENTINI; ASSUNÇÃO; AKASAKI, 2016). A queima das argilas cauliníticas pode ocorrer a temperaturas de 600ºC a 900ºC, à estas temperaturas os compostos formados apresentam estrutura amorfa. Além disso, deve-se diferenciar os produtos da calcinação, já que podem ou não possuir características de uma pozolana. O produto da calcinação da argila que possui esta propriedade é chamado de Metacaulim de Alta Reatividade (MCAR) conforme estudado por Helene e Medeiros (2004). Segundo Mota, Oliveira e Carneiro (2016), as partículas de metacaulim são extremamente pequenas, ficando entre 0,2 µm a 15 µm, com área específica de 12.000 m²/Kg para metacaulins comuns e 60.000 m²/kg para MCAR. A Figura 6 demonstra através de uma Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) a disposição e forma das partículas de três amostras de metacaulim, provenientes de diferentes locais.
Figura 6 – MEV de três diferentes metacaulins
Fonte: Rocha (2005, p. 57).
A imagem (a) refere-se a um metacaulim brasileiro, a (b) e (c) obtidos nos Estados Unidos. Pode-se observar que as partículas deste material são lamelares e alongadas. Na primeira imagem, é possível observar uma maior aglomeração entre as partículas. Esta
consideração é corroborada por Mota, Oliveira e Carneiro (2016, p. 1106), pois salienta que “[...] essas unidades são mantidas unidas por pontes de hidrogênio entre as camadas, de modo que o mineral não é disperso em água [...]”, sendo necessário o uso de um agente dispersor, para um melhor aproveitamento de material cimentício suplementar. Ainda sobre suas características físicas, o metacaulim possui a densidade entorno de 2,40 g/cm³, sendo mais leve que o Cimento Portland (TUTIKIAN; DAL MOLIN, 2015).
O uso deste material em compósitos cimentícios exerce influência no estado fresco e endurecido. Conforme o preconizado na NBR 15894-1 (ABNT, 2010, p. 6), que rege os requisitos para uso do metacaulim em argamassas, “[...] a elevada área superficial melhora aspectos reológicos através da otimização da distribuição granulométrica da pasta, contribuindo na retenção de água, aumento da coesão, redução da exsudação e segregação, facilitando o acabamento [...]” das peças de concreto aparente.
Já no estado endurecido, a NBR 15894-1 (ABNT, 2010) menciona que seus benefícios são percebidos na resistência à compressão e a flexão, porosidade, permeabilidade e resistência a sulfatos e íons cloreto. Rocha (2005) comenta que quanto a resistência à compressão, o acrescimento pode ser em média 25% em relação a traços sem adição da pozolana. Além disso, Ferreira (2017) corrobora que sua adição reduz a porosidade dos compósitos, resultando em um aumento na resistência à fadiga, impacto e vibrações. O metacaulim ainda influencia positivamente no módulo de elasticidade. Além disso, esta adição auxilia na redução do calor de hidratação, dependendo da situação utilizada. Souza (2003 apud FERREIRA, 2017) ressalta que, se usado em concretos de alto desempenho, com alto consumo de aglomerantes e baixo fator a/c (água/cimento) pode ocorrer o efeito contrário, aumentando o calor liberado.
O metacaulim, conforme já citado, possui sua composição química resumida em aproximadamente 90% de sílica e alumina reativas, fato que influencia diretamente nos produtos da reação de hidratação. A Tabela 4 detalha os compostos que formam este MCS.
Tabela 4 – Composição química do metacaulim Composição química (%)
SiO2 CaO Fe2O3 Al2O3 Na2O MgO SO3 TiO2
57,0 <0,1 2,0 34,0 <1,5 <0,1 <0,1 1,5
Fonte: Modificado de Santos et al. (2017).
Devido a isto, pode-se dizer que os produtos formados pela reação do metacaulim em compósitos cimentícios resulta em compostos semelhantes ao da reação da cinza volante: caso a reação da Portlandita (CH) ocorra somente com a sílica, o produto formado será
Silicato de Cálcio Hidratado (C-S-H). Se ocorrer com a sílica e com a alumina, o produto gerado será Silicato de Cálcio Hidratado (C-S-H), Aluminato de Cálcio Hidratado (C-A-H) e Silício-Aluminato de Cálcio Hidratado (C-A-S-H). Isto é corroborado por Hoppe Filho et al. (2017), que retrata estes compostos através da Figura 7, obtida através do ensaio de Difração por raios-X.
Figura 7 – Difração por raios-X em pasta de Cimento Portland com adição de metacaulim
Fonte: Hoppe Filho et al. (2017, p .9).
Como pode ser percebido através da Figura 7, toda a portlandita foi consumida devido a adição de metacaulim. Entretanto ainda há halo amorfo, o que indica haver partículas de metacaulim que não reagiram. Considerando o fato de que este ensaio foi realizado aos 7 dias de idade de uma pasta de cimento, pode-se considerar que a reação do metacaulim ocorre de forma muito mais acelerada de outros MCS.
2.5 SÍLICA ATIVA
A sílica ativa – comercialmente conhecida como microssílica – é um material fino, proveniente da queima de silício metálico ou ferro-silício. No processo de fusão destas matérias primas, ocorre a transformação do quartzo em monóxido de silício (SiO) em forma de gás, em altas temperaturas, superiores à 2000ºC. Por ser um gás com temperatura elevada, se deposita na parte superior do forno, que possui temperaturas mais baixas e contato com o ar atmosférico. A ligação do oxigênio com o SiO forma o dióxido de silício, “[...] que se condensa em forma de partículas esféricas, extremamente pequenas e amorfas [...]” (DAL MOLIN, 2011, p. 270), que passam por filtros de manga para obtenção da sílica ativa.
A matéria prima deste MCS é empregada na produção de aços comuns e especiais, ligas de alumínio, silicones, equipamentos de captação de energia solar, além de ser
utilizado na indústria eletrônica, sendo o 6º setor que mais apresentou superávit nos últimos 4 anos (ABRAFE, 2017). No ano de 2014, foram produzidas 230 mil toneladas de silício metálico e 127 mil toneladas de ferro-silício 75%, conforme apresentado no Anuário estatístico do setor metalúrgico do Ministério de Minas e Energia (BRASIL, 2015). Para cada tonelada silício metálico que é fundido, são produzidas 550 kg de sílica ativa. Para ferro-silício 75%, este valor fica em torno de 350 kg (DASTOL, 1984 apud DAL MOLIN, 2011). Pode-se concluir que no ano de 2014, foram geradas, aproximadamente, 170 mil toneladas de sílica ativa.
Este MCS possui massa específica média de 2,20 g/cm³, é extremamente fino com partículas esféricas e dimensões próximas a 0,1 µm conforme pode ser observado na figura 8, isto resulta em superfície específica da ordem de 20.000 m2/kg (MENDES, 2016). A coloração da sílica pode variar de cinza claro à cinza escuro, dependendo da quantidade de carbono presente em sua composição, proveniente da queima do carvão utilizado como combustível para a fusão da matéria prima. O que determina este teor de carbono é a origem do material e a velocidade de resfriamento do gás formado (DAL MOLIN, 2011), sendo mais escura no caso de resfriamento mais acelerado, pois a queima do carvão é estabilizada, sem queimar totalmente.
Figura 8 – Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) da sílica ativa
Fonte: Dal Molin (2011, p. 273).
O que faz da sílica ativa uma pozolana de alta reatividade é em primeiro lugar, a quantidade elevada de sílica não cristalina (amorfa), sendo assim, possui a capacidade de reagir com uma maior quantidade de CH, resultando em mais compostos com resistência elevada. Além disso, por conta de sua alta finura, as partículas que não reagem quimicamente atuam em propriedades físicas, como efeito fíler, preenchendo os vazios da matriz cimentícia (DAL MOLIN, 1995).
A Figura 9 exemplifica a influência da sílica em uma matriz cimentícia, obtido através de uma Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) em um concreto convencional.
Figura 9 – Matriz cimentícia de concreto convencional com e sem adição mineral
Fonte: Silva et al. (2016, p. 51).
A Figura 9 – Matriz cimentícia de concreto convencional com e sem adição mineral (a) representa uma matriz cimentícia sem adição de sílica ativa, enquanto a Figura 9 – Matriz cimentícia de concreto convencional com e sem adição mineral (b) representa uma matriz cimentícia com adição de sílica ativa. Silva et al. (2016) destaca a matriz (a) como uma superfície mais porosa, enquanto a (b) apresenta uma estrutura mais densa, com uma aparência mais rasa.
A influência do uso de sílica ativa no concreto no estado fresco está na redução da segregação e exsudação, além de conferir fluidez aos concretos que apresentam alta viscosidade, com baixo fator água/aglomerante, conforme Aïtcin (2000). Este efeito pode estar relacionado à forma perfeitamente esférica de suas partículas. Dal Molin (2011) acrescenta que esta forma auxilia no bombeamento e lançamento do concreto, apesar de sua finura necessitar de uma demanda de água maior. O aumento da demanda de água é proporcional ao teor de sílica ativa no concreto. Em relação ao calor de hidratação, a mesma autora descreve que, apesar de os MCS, no geral, reduzirem o calor de hidratação, o fato de esta pozolana acelerar a hidratação, faz com que esta propriedade haja tanta liberação de calor quanto uma matriz de cimento puro.
Para o estado endurecido, Aïtcin (2000) relata que, ao conferir uma microestrutura mais densa, conforme apresentado na Figura 8 – Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) da sílica ativa, a resistência à compressão é beneficiada, assim como a porosidade é reduzida, principalmente entre 7 e 28 dias. Em relação a resistência à tração, ela só sofrerá um aumento devido ao uso de sílica ativa, quando as reações pozolânicas finalizarem (DAL MOLIN,
2011). Esta autora corrobora que o uso deste material pozolânico reduz a porosidade, o que faz com que o concreto esteja menos susceptível a penetração de íons agressivos, além de influenciar positivamente na resistência à sulfatos.
Como já mencionado em outros itens deste capítulo, a composição dos materiais rege quais serão os produtos da sua reação de hidratação. No caso da sílica ativa, a quantidade deve ultrapassar 85% de sílica, conforme a NBR 13956-1 (ABNT, 2012). A Tabela 5, que descreve a composição química de uma sílica ativa confirma o atendimento a este requisito.
Tabela 5 – Composição química da sílica ativa Composição Química (%)
SiO2 CaO Fe2O3 Al2O3 K2O MgO SO3
94,91 0,20 0,05 2,27 0,97 - 1,56
Fonte: Modificado de Hoppe Filho et al (2017).
Conforme estes dados, pode-se concluir que o principal produto de hidratação da sílica ativa é o Silicato de Cálcio Hidratado (C-S-H), devido a mais de 90% de sua composição ser sílica em fase amorfa. Não há presença de produtos à base de alumínio, devido à baixa quantidade de alumina na composição. Isto é confirmado por Hoppe Filho et al. (2017) na Figura 10. Pode-se perceber a presença apenas de picos de C-S-H e o halo amorfo. Este último se deve ao consumo total de CH (Portlandita), porém ainda há material reativo não hidratado.
Figura 10 – Difração de raios-x em pasta de Cimento Portland com adição de sílica ativa
3 MÉTODOS NORMATIZADOS PARA AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DOS MCS NAS PROPRIEADES DO CONCRETO
A Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) propõe métodos para a avaliação da pozolanicidade e desempenho de materiais cimentícios suplementares. Neste capítulo, serão apresentadas as normas que regem estes métodos, assim como uma descrição sucinta de seu procedimento de ensaio. Através desta análise, é possível confirmar o exposto no capítulo 1 deste trabalho, demonstrando a falta de avaliação da influência dos MCS no estado fresco de concretos e argamassas, além de cada material apresentar diferentes comportamentos, e os métodos não serem sensíveis a detecção destas diferenças.
3.1 ÍNDICE DE ATIVIDADE POZOLÂNICA COM CIMENTO PORTLAND
A determinação da atividade pozolânica, preconizada pela NBR 5752 (ABNT, 2014), que apresenta o índice de desempenho da pozolana com cimento Portland aos 28 dias de idade. Este é um método indireto que consiste na comparação de resultados de resistência à compressão de argamassas produzidas apenas com cimento Portland e argamassas produzidas com substituição parcial do cimento pelo Material Cimentício Suplementar (MCS) de interesse. Estas argamassas devem apresentar Índice de Consistência (IC) na mesa de Flow de 225 ± 5 mm, caso o uso de MCS resulte na redução do IC deve-se fazer sua manutenção com aditivo superplastificante até um intervalo de ± 10 mm do IC apresentado pela argamassa contendo apenas cimento puro.
Para realizar o ensaio, deve-se usar os seguintes materiais: areia normal, fornecida pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT), seguindo os parâmetros apresentados na NBR 7214 (ABNT, 2012), cimento Portland composto com adição de fíler calcário e resistência aos 28 dias de cerca de 32 MPa (CP II-F-32) e caso seja necessário o uso de aditivos superplastificantes, deve-se utilizar o que atenda ao prescrito na NBR 11768 (ABNT, 2011). O MCS deve ser utilizado com as mesmas características que terá, quando utilizados em situação real.
Para avaliar a resistência à compressão, são moldados seis corpos de prova de 10 cm de diâmetro e 20 cm de altura, utilizando o traço em massa especificado pela NBR 5752 (ABNT, 2014), sendo este apresentado na Tabela 6 e o procedimento de mistura presente na NBR 7215 (ABNT, 1996).
Tabela 6 – Massa dos materiais a serem utilizados para execução do ensaio Traço (g)
CP II-F-32 Areia Normal Água
624,0 1872,0 300,0
Fonte: Adaptado de NBR 5752 (ABNT, 2014, p. 3)
A massa total de areia refere-se a soma da massa das quatro frações granulométricas da areia normal, sendo 468 g para cada. A argamassa contendo somente cimento puro é denominada argamassa A. E a argamassa contendo cimento e 25% de MCS substituindo o cimento em massa é denominada argamassa B.
Após a moldagem, os corpos de prova devem ser mantidos em ambiente com temperatura controlada de (23 ± 2)ºC e umidade superior a 95%, conforme a NBR 9479 (ABNT, 2006) até a idade de cura de 28 dias. Após esse tempo, as amostras devem ser submetidas ao ensaio de compressão axial. Por fim, calcular a resistência média e o desvio relativo máximo das amostras. Para este último, o cálculo consiste em dividir a resistência individual que mais se afaste da média pela resistência média, multiplicando o resultado por 100. O desvio não deve ser maior que 6%, devendo-se retirar os valores que mais se afastem e recalcular uma nova média e um novo desvio, restando o mínimo de 4 amostras. Estes cálculos são realizados para a argamassa A e para a B de forma isolada (NBR 7215, 1996). Para o cálculo do índice de atividade pozolânica, utiliza-se a Equação 1.
Equação 1 – Índice de atividade pozolânica com cimento Portland aos 28 dias 𝐼𝐴𝑃 =𝑓𝑐𝐵
𝑓𝑐𝐴× 100 Onde:
IAP = índice de atividade pozolânica, expresso em porcentagem; fcB = resistência média final da argamassa B, expresso em MPa; fcA = resistência média final da argamassa A, expresso em MP.
Conforme a NBR 12653 (ABNT, 2014), que contém os requisitos para os materiais pozolânicos, expressa que o índice de atividade pozolânica, realizado pelo método em questão, deve ser maior que 90%.
A NBR 15894-3 (ABNT, 2010) e a NBR 13956-3 (ABNT, 2012), são normas específicas para, respectivamente, o metacaulim e a sílica ativa, que apresentam métodos bem semelhantes a este, porém com algumas particularidades no quesito substituição e idade de ensaio. Para ambas, a idade de realização do ensaio de compressão é 7 dias e o parâmetro IAP é 105%. Para o metacaulim, o teor de substituição é 15% e 10% para a sílica ativa.
