A INFLUÊNCIA DE AGREGADOS GRAÚDOS DE DIFERENTES MINERALOGIAS NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO

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A INFLUÊNCIA DE AGREGADOS GRAÚDOS DE DIFERENTES MINERALOGIAS NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO

A. G. Magalhães (1); E. P. de França (2); M. T. P. Aguilar (3); J. M. Calixto (1); e W. L. Vasconcelos (4)

(1) UFMG – Departamento de Engenharia de Estruturas (2) CEFET-MG – Departamento de Materiais de Construção

(3) UFMG – Departamento de Materiais de Construção

(4) UFMG – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Av. do Contorno, 842 – 2° andar – 30110-060 – Belo Horizonte – MG – Brasil

e-mail: aldo@dees.ufmg.

RESUMO

O concreto de cimento Portland, ao longo dos anos, vem sendo especificado em função de suas propriedades mecânicas e, mais recentemente, em função de aspectos relacionados à sua durabilidade. Os agregados comumente utilizados na fabricação dos concretos são de diferentes naturezas mineralógicas, tendo grande influência no desempenho destes. Neste trabalho, é avaliada a influência de agregados graúdos de diferentes mineralogias nas propriedades mecânicas dos concretos de alto desempenho, assim como a presença de possíveis fases potencialmente reativas que possam comprometer a durabilidade do material. A caracterização dos agregados se deu por ensaios de difração de raios X e microscopia óptica. Os resultados indicam que os agregados calcáreos permitem a fabricação de concretos de no máximo 70MPa de resistência a compressão, enquanto os concretos com basalto, granito e gnaisse podem atingir valores próximos a 100MPa.

Palavras-chave: concreto, agregados graúdos, microestrutura, propriedades mecânicas.

ABSTRACT

Concrete in normal conditions is a versatile and strong construction material. However under certain environmental conditions it may deteriorate in a short period of time. This fact has led researchers in recent times to develop the high-performance concrete. In this scenario, the aim of this paper is to present the effects of the different types of coarse aggregate on the mechanical properties of high-performance concrete. Limestone, granite, gneiss and basalt were used as coarse aggregates. Their characterization consisted of chemical analysis, x-ray diffraction and optical microscopy. The compressive strength and the modulus of elasticity were the investigated mechanical properties. The test results indicate expressively the better performance of the concretes fabricated with basalt, granite and gneiss aggregates.

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INTRODUÇÃO

O concreto de cimento Portland, ao longo dos anos, vem sendo especificado em função de suas propriedades mecânicas (1) e, mais recentemente, em função de aspectos relacionados à sua durabilidade (2). Os agregados comumente utilizados na fabricação dos concretos são de diferentes naturezas mineralógicas, tendo grande influência no desempenho destes. Vários estudos envolvendo os agregados destinados à fabricação de concretos tem dado uma grande atenção a aspectos referentes à morfologia (3)_{, granulometria}(4)_{, densidade, presença de finos e}

impurezas (5)_{, e a reatividade com os álcalis do cimento}(6,7)_{, entretanto, muito ainda}

a de se pesquisar para melhor se compreender o impacto da variação de sua natureza mineralógica nas propriedades mecânicas e com a durabilidade do concreto (8).

O concreto de alto desempenho não requer o emprego de materiais exóticos nem de processos especiais (6,9). Por outro lado seu comportamento difere consideravelmente do concreto convencional em alguns aspectos (10). Um conhecimento mais aprofundado da influência dos materiais constituintes do concreto em suas propriedades mecânicas e na sua durabilidade permitirá com que sua escala de utilização como material de construção aumente, resultando em projetos mais econômicos e seguros (11).

Neste trabalho, é avaliada a influência de agregados graúdos de diferentes mineralogias nas propriedades mecânicas dos concretos de alto desempenho, assim como a presença de possíveis fases potencialmente reativas que possam comprometer a durabilidade do material. Os agregados graúdos utilizados neste estudo comparativo representam a grande maioria das rochas utilizadas para a produção de concreto na região sudeste do Brasil: basalto, calcáreo, gnaisse e granito. A caracterização dos agregados se deu por ensaios de difração de raios X e no caso particular do gnaisse utilizou-se também a microscopia óptica valendo-se da técnica de lâminas delgadas.

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MATERIAIS E MÉTODOS

Para a fabricação dos concretos optou-se por utilizar o cimento de alta resistência inicial CP V. Este cimento além de apresentar elevada resistência à compressão em todas as idades é um cimento fabricado sem adições. Os ensaios de caracterização do metacaulim, inertes (areia artificial, pó-de-pedra, britas 0 e 1) e aditivo superplastificante apresentam os resultados descritos a seguir.

Metacaulim

O Metacaulim é constituído basicamente por compostos à base de sílica (SiO2)

e alumina (Al2O3) na fase amorfa, formando o silicato de alumínio, altamente reativo

com o hidróxido de cálcio, resultante da hidratação dos compostos do cimento. Suas características químicas e físicas estão relacionadas nas tabelas I e II.

Tabela I - Análises químicas do metacaulim.

Ensaios Químicos % Limites da

ASTM C630

Óxido de silício (SiO2) 51

Óxido de alumínio (Al2O3) 41

Óxido de ferro (Fe2O3) < 3

Σ > 85 %

Óxido de titânio (Tio2) < 1 -

Óxido de magnésio (MgO) < 0,4 -

Óxido de sódio (Na2O) < 0,1 -

Óxido de potássio (K2O) < 0,5 -

Óxido de enxofre (SO3) < 0,1 -

Óxido de cálcio livre (CaO) < 0,5 - Tabela II - Análises físicas do metacaulim.

Ensaios Físicos Resultados Limites da ASTM C630

Resíduo na peneira ABNT 325 (%) 0,0 ≤ 1

Diâmetro médio dos grãos (mm) 0,006 -

Área específica (BET) (m2/kg) 32000 -

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Agregado Miúdo

A areia obtida da britagem de rocha por via seca (britador do tipo VSI – “Vertical Shaft Impact”), será designada como “Areia Artificial Seca”. Esta areia foi escolhida em função de seu elevado nível de consumo na região metropolitana de Belo Horizonte. Dados estatísticos indicam um consumo mensal destas areias de aproximadamente 40.000 toneladas o que corresponde à cerca de 70% do total consumido nesta região.

O pó-de-pedra é proveniente da britagem de rochas calcárias, sem nenhum beneficiamento industrial. Os resultados dos ensaios de caracterização do agregado miúdo segundo as normas ABNT podem ser vistos na Tabela III.

Tabela III - Caracterização dos agregados miúdos.

Ensaios Realizados Gnaisse _CalcárioPó de Método de _Ensaio _{NBR 7211/05}Limites

Massa específica (g/cm3_{) 2,63}_2,70_{NBR NM 52/03} _-

1,22 1,47 Massa unitária (g/cm3)

h=5,3% h=5,5% NBR 7251/82 -

Material pulverulento (%) 6,8 28,8 NBR NM 46/03 ≤ 12,0

Teor de argila em torrões (%) 0,0 0,0 NBR 7218/87 ≤ 1,5

Impureza orgânica (PPM) ≤ 300 ≤ 300 NBR NM 49/01 ≤ 300

Dimensão máxima (mm) 4,8 4,8 NBR NM 248/03 -

Módulo de finura 2,37 2,82 NBR NM 248/03 -

O excesso de material pulverulento presente no pó de calcário é incorporado intencionalmente à mistura de modo a suprir a quantidade mínima de finos pulverulentos exigidos para os concretos que empregam aditivos superplastificantes. Recomenda-se (12) a utilização de mais de 530 kg de finos (< 0,075 mm) para cada metro cúbico de concreto.

Agregado Graúdo

Os resultados dos ensaios de caracterização mineralógica do agregado graúdo podem ser vistos na Tabela IV e na Figura 1. Nenhum dos agregados analisados apresentou fases mineralógicas potencialmente reativas com os álcalis do cimento.

Os resultados dos ensaios de caracterização do agregado graúdo segundo as normas ABNT podem ser vistos nas Tabelas V e VI.

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Tabela IV - Composição mineralógica dos agregados graúdos obtida por meio de ensaios de difratometria de raios X.

Mineral Identificado Amostra Predominante (>30%) Maior (<30%) Menor (<10%) Minoritário (<3%) Basalto Anortita Piroxênio (Augita/Diopsídio) - Montimorillonita Hematita Ilmenita Magnetita

Granito _QuartzoAlbita _MicroclinaBiotita Moscovita

Anfibólio (Hornblenda) Clorita Hematita Magnetita Gnaisse Albita Quartzo Microclina Biotita Clorita Apatita Hematita Magnetita Moscovita

Calcário Calcita - - Quartzo

Aspecto geral da lâmina delgada de biotita-gnaisse destacando-se palhetas cloritizadas de biotita, cristais de plagioclásio, apatita, microclina e quartzo.

Aumento de 25 x (luz polarizada) Figura 1 - Lâmina delgada de gnaisse

Tabela V - Caracterização das Britas n° 0. Britas n° 0 Ensaios Realizados

Basalto Granito Gnaisse Calcário Métodos _(NBR)

Limites NBR 7211/0

5

Massa específica SSS* (g/cm3) 2,87 2,64 2,62 2,67 NM 53/03 -

Massa específica seca (g/cm3₎ _{2,85 2,61 2,60 2,65}_{NM 53/03} _-

Absorção (%) 0,7 1,1 0,7 0,7 NM 53/03 -

Massa unitária (g/cm3₎ _{1,42 1,34 1,27 1,44}_7251/82 _-

Material pulverizado (%) 1,5 1,6 1,4 2,7 NM 46/03 ≤ 1,0

Dimensão máxima (mm) 9,5 9,5 9,5 12,5 NM 248/03 -

Módulo de finura 5,31 5,40 5,56 6,03 NM 248/03 -

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Tabela VI - Caracterização das Britas n° 1. Britas n° 1 Ensaios Realizados

Basalto Granito Gnaisse Calcário Métodos _(NBR)

Limites NBR 7211/0

5

Massa específica SSS* (g/cm3) 2,88 2,65 2,63 2,68 NM 53/03 -

Massa específica seca (g/cm3) 2,87 2,64 2,63 2,67 NM 53/03 -

Absorção (%) 0,3 0,4 0,3 0,5 NM 53/03 -

Massa unitária (g/cm3₎ _{1,53 1,41 1,38 1,49}_7251/82 _-

Material pulverizado (%) 1,2 0,6 0,8 1,4 NM 46/03 ≤ 1,0

Dimensão máxima (mm) 19 19 19 19 NM 248/03 -

Módulo de finura 6,70 6,77 7,00 6,99 NM 248/03 -

* SSS: Saturado Superfície Seca

Aditivo

O aditivo utilizado foi o plastificante a base de éteres policarboxilato “GLENIUM 54”, cujas características fornecidas pelo fabricante são mostradas na Tabela VII.

Tabela VII - Caracterização do aditivo. Propriedades Valor do Lote Base química Policarboxilatos Densidade (g/cm3₎ _{1,09 ± 0,02}

pH 6 ± 1

Teor de sólidos (%) 40 ± 2

Cloretos (%) Isento

Traços Experimentais

Com base na relação água/aglomerantes (a/agl) e no teor de argamassa determinado a partir no volume de vazios dos agregados graúdos foram definidos os quantitativos de cada traço para 1 m3 de concreto, conforme Tabelas VIII, IX, X e XI.

Tabela VIII - Resumo dos traços utilizados para relação a/agl: 0,40.

Materiais (kg/m3) Basalto Granito Gnaisse Calcário

CP V ARI 368 368 368 368 Metacaulim 32 32 32 32 Areia gnaisse 726 719 719 719 Pó de calcário 163 160 160 160 Brita 0 331 354 492 740 Brita 1 696 584 453 222 Aditivo 3,2 3,2 3,2 3,2 Água 165 165 165 165

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Tabela IX - Resumo dos traços utilizados para relação a/agl: 0,35.

Tabela X - Resumo dos traços utilizados para relação a/agl: 0,30.

Tabela XI - Resumo dos traços utilizados para relação a/agl: 0,25.

APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS Ensaio de Consistência

Em função do uso de aditivos policarboxilatos todos os traços foram elaborados com abatimento na faixa de 18 ± 2 cm.

Resistência à Compressão Axial

De cada traço, foram moldados 8 corpos-de-prova de 10 x 20 cm para determinação da resistência à compressão axial, nas idades de 3, 7, 28 e 60 dias. Os resultados dos ensaios podem ser vistos na Tabela XII e nas Figuras 2, 3, 4 e 5.

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Tabela XII - Resumo das resistências à compressão Resistência à Compressão (MPa) a/agl Agregado

Graúdo 3 dias 7 dias 28 dias 60 dias

Basalto 52,7 59,0 68,2 77,9 Granito 51,7 70,8 84,0 88,9 Gnaisse 61,4 75,6 86,3 93,3 0,40 Calcário 54,5 69,8 72,6 77,3 Basalto 60,1 68,5 73,5 80,2 Granito 61,1 83,6 92,3 97,6 Gnaisse 65,2 86,3 92,6 96,8 0,35 Calcário 62,9 72,3 76,1 84,7 Basalto 74,9 80,5 87,7 90,7 Granito 64,9 90,1 96,0 98,9 Gnaisse 73,6 95,0 98,0 100,8 0,30 Calcário 68,5 77,4 84,3 88,7 Basalto 81,2 92,2 100,3 108,5 Granito 74,6 95,0 102,4 110,4 Gnaisse 88,4 98,3 109,0 117,7 0,25 Calcário 72,1 78,9 85,1 90,9 0 20 40 60 80 100 3 7 28 60 Idade (dias) R esist ên cia à C o m p re ss ão ( M Pa )

Basalto Granito Gnaisse Calcário

Figura 2 - Compressão axial - a/agl = 0,40.

0 20 40 60 80 100 120 3 7 28 60 Idade (dias) R esist ên cia à C o m p re ssão ( M P a)

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0 20 40 60 80 100 120 3 7 28 60 Idade (dias) R es ist ên cia à C o m p ress ão ( M P a)

Figura 4 - Compressão axial - a/agl = 0,30.

0 20 40 60 80 100 120 140 3 7 28 60 Idade (dias) R esi st ên ci a à C o m p re ssã o ( M P a)

Figura 5- Compressão axial - a/agl = 0,25.

Os resultados de resistência à compressão dos traços dimensionados com relação a/agl iguais a 0,40, 0,35 e 0,30 apresentaram uma tendência de comportamento semelhante. Os concretos fabricados com as rochas basálticas e calcárias apresentaram valores de resistência à compressão axial inferiores aos demais nos três traços supracitados, possivelmente em decorrência de sua textura superficial lisa. A menor rugosidade superficial dessas rochas diminui a aderência física com os cristais hidratados de cimento que envolvem as protuberâncias e as asperezas, muito maiores, da superfície dos agregados.

No traço com relação a/agl = 0,25 percebe-se um desempenho significativamente inferior do concreto fabricado utilizando-se agregados graúdos provenientes de rochas calcárias. A explicação provável para este fato decorre da menor resistência mecânica da própria rocha calcária.

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Módulo de Elasticidade - Método Dinâmico

Foram ensaiados nas idades de 7 e 28 dias, 4 corpos-de-prova (10 x 20) cm de cada traço, pelo método dinâmico, através da leitura de freqüências sonoras ultra-sônicas, que percorrem o corpo-de-prova ao longo de seu perfil longitudinal, para determinação do módulo de elasticidade.

Os resultados destes ensaios podem ser vistos na Tabela XIII apresentada a seguir:

Tabela XIII - Resumo dos módulos de elasticidade (GPa).

Agregado Graúdo a/c 7 dias 28 dias

0,40 33,9 37,0 0,35 41,3 45,3 0,30 44,9 48,8 Basalto 0,25 46,3 50,3 0,40 35,5 38,5 0,35 43,5 47,1 0,30 47,3 51,9 Granito 0,25 50,0 53,4 0,40 34,0 37,7 0,35 42,1 46,0 0,30 46,7 50,3 Gnaisse 0,25 48,3 52,7 0,40 30,9 33,3 0,35 36,1 40,2 0,30 40,0 44,3 Calcário 0,25 44,3 46,7 0 20 40 60 0,4 0,35 0,3 0,25 Fator a/c M ó du lo de E last ic id ad e ( G P a)

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0 10 20 30 40 50 60 0,4 0,35 0,3 0,25 Fator a/c M ó d u lo d e E last ici d ad e ( G P a)

Figura 7 - Módulo de elasticidade - 28 dias.

Percebesse que o módulo de elasticidade do concreto é influenciado pelas propriedades da rocha utilizada como agregado graúdo. Os concretos que apresentaram os melhores resultados quanto ao módulo de elasticidade foram fabricados com rochas que também possuíam os maiores módulos. O granito e o gnaisse que também já haviam se destacado nos ensaios de resistência à compressão também obtiveram as melhores performances neste ensaio, possivelmente por apresentarem as melhores características de aderência na zona de transição argamassa-agregado.

CONCLUSÕES

Os resultados indicam que, entre todas as rochas analisadas, o calcário apresentou a pior performance. O seu emprego em concretos de alto desempenho, com resistência característica superior a 50 MPa, exigiria um elevado consumo de cimento e, nos casos de patamares mais elevados, acima de 70 MPa, a sua resistência mecânica poderia inviabilizar o seu uso.

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REFERÊNCIAS

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