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Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil - 2009/2010 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2009.
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À memória de meu padrinho, Manuel António Oliveira, cujo o exemplo e bondade jamais esquecerei.
“Uma nação vale pelos seus sábios, pelas suas escolas, pelos seu génios, pela sua literatura, pelos seus exploradores científicos e pelos seus artistas” Eça de Queirós
AGRADECIMENTOS
Ao meu orientador Professor Alberto Tavares Moreira pela disponibilidade e amizade com que me acolheu, assim como pela ajuda e seus sábios conselhos, possibilitando momentos únicos de aprendizagem.
Ao meu avô, pela força e vontade com que tem encarado e conseguido ultrapassar esta fase dura da sua vida.
Aos meu pais, avós e irmã pelo facto de permitirem chegar até aqui e também pelo apoio ao longo do meu percurso académico, principalmente nos momentos mais difíceis.
Aos Professores Arlindo Begonha e Madalena Teles pela importante colaboração e ajuda que dispensaram.
Ao Laboratório de Ensaios de Materiais de Construção e seus funcionários pela cooperação e apoio prestado, tornando possível a realização de toda a parte experimental.
Ao André Moreira, Décio Mendes e Franciso Marques por nos conhecermos no primeiro dia de Faculdade e de aí em diante continuarmos a ser como “irmãos”.
Ao meu padrinho João Rodrigo Quintela pelo exemplo e pessoa excepcional que é e sempre será. À Ana Cristina Magalhães pela sua simplicidade e por ser uma pessoa única.
Ao Manuel Alves, António Caeiro, Paulo Vasconcelos, João Araújo, Bernardo Rocha, João Sampaio e Marco Santos como amigos admiráveis que são e com quem tive o privilégio de trabalhar e aprender na AEFEUP. “Juntos somos únicos...”
Ao Manuel Ramos, João Carvalho, Júlio Magalhães, Igor Ribeiro, Mário Maia, Nelson Pião, Luís Martins, Hugo Oliveira, Ester Silva, Pedro Pinto, Inês Fevereiro, Luís Bessa, André Cardoso, Gustavo Leoni, Pedro Teixeira e Andreia Freitas por serem a minha segunda família.
À família Caldeira por quem tem tenho um grande carinho e apreço.
Ao Gilberto Gil como ídolo admiravél devido à sua monstruosidade musical, cultural e social, permitindo com a sua música encontrar ânimo e força para prosseguir este trabalho.
RESUMO
Com a crescente propagação do uso do betão a partir de meados do século XX, mais afincadamente na sua segunda metade, este tornou-se o principal material construtivo. Nos últimos anos, os aspectos ambientais têm sido encarados pelas sociedades com uma preocupação crescente, levando a que grande parte das indústrias encontrem novas formas de resolver tais problemas.
A indústria da construção tem sido associada de forma negativa a estes novos desafios de sustentabilidade, em grande parte, devido aos elevados consumos de recursos naturais e também aos resíduos gerados durante o processo construtivo.
Com a realização do presente trabalho de investigação, pretende-se analisar a viabilidade da substituição parcial do agregado fino (areia) por saibro em obras correntes de pequenas dimensões. Este saibro é material que habitualmente tem de ser retirado para que se torne possível realizar as fundações ou construir os pisos subterrâneos. Caso seja possível aplicar esse material extraído, haverá uma redução da quantidade de areia necessária, assim como uma redução dos elementos excedentes da obra (resíduos de construção).
Em Portugal, o processo de valorização dos resíduos gerados pelas indústrias é praticamente inexistente, podendo no caso específico do betão, essa valorização resultar na aplicação desses elementos como agregados.
Numa primeira parte, é realizada a caracterização do elemento construtivo betão, onde são focados com alguma importância os aspetos de durabilidade e analisadas as necessidades de adaptação da indústria construtiva e da tecnologia do betão aos novos desafios de sustentabilidade.
Seguidamente, são estudados os materiais, com algum destaque para o saibro, onde para além da sua caracterização física será caracterizado químicamente, com o objectivo de determinar os seus componentes mineralógicos.
Após a definição dos elementos constituintes, é estudada uma composição de betão, tendo como base as características correntes encontradas na generalidade das obras, definindo-se também uma composição alternativa na qual se realiza a incorporação de saibro.
Com estas duas composições de betão, procede-se à realização de um programa experimental onde são ensaiados aspectos de resistência e de durabilidade.
A existência de alguns elementos finos, conduz a que a composição com saibro apresente maiores relações água/cimento e uma porosidade ligeiramente superior. Este aspecto leva a que, em alguns dos resultados, as diferenças comportamentais sejam ligeiras, enquanto que noutras as diferenças se acentuam. Contudo, este trabalho demostra que existem potencialidades de valorização na incorporação destes elementos em betões de ligantes hidráulicos.
ABSTRACT
With the increasing spread of the use of concrete from the mid-twentieth century, particularly in the second half, this has become the main construction material. In recent years, environmental issues have been faced by societies with a growing concern with the result that most industries find new ways to solve such problems.
The construction industry has been negatively associated with these new challenges of sustainability, largely due to high consumption of natural resources and also the waste generated during the construction process.
With the completion of this research work, it’s intended to analyze the feasibility of partial replacement of fine aggregate (sand) by clay (residual soil) in current with small dimension works. This clay material normally have to be removed to make it possible to build the foundations or underground floors. If the extracted material can be applied, will be a reduction of the amount of sand needed, as well as a reduction in excess of the work elements (construction waste).
In Portugal, the recovery process of waste generated by industry is virtually nonexistent. In case of concrete, these values results in the application of these elements as aggregates.
In the first part is performed to characterize the concrete building element, where they are focused with some important aspects of the durability and analyzed the requirements for constructive industry and technology of concrete to the new challenges of sustainability.
Hereafter, the materials will be studied, with some emphasis on some clay, where in addition to its physical characterization is characterized chemically, in order to determine their mineralogical components.
After the definition of the constituents is studied a concrete composition, based on the characteristics found in most of the current works also defining an alternative composition which takes place in the incorporation of these clay.
With these two compositions of concrete comes to the realization of an experimental program where aspects are tested for strength and durability.
The existence of fine elements, leading to the clay composition to provide greater water / cement ratio and a slightly higher porosity. This means that results in some of the behavioral differences are slight, whereas the other differences are highlighted. However, this work demonstrates that there is potential for recovery in the incorporation of these elements in concrete of hydraulic binders.
ÍNDICE GERAL AGRADECIMENTOS ... i RESUMO ... iii ABSTRACT ... v
1. INTRODUÇÃO
... 1 1.1.NOTA INTRODUTÓRIA ... 1 1.2.JUSTIFICAÇÃO DO TEMA ... 2 1.3.OBJECTIVOS DO TRABALHO ... 3 1.4.ESTRUTURA DO TRABALHO ... 42. ESTADO DA ARTE
... 5 2.1.INTRODUÇÃO ... 5 2.2.CIMENTO PORTLAND ... 52.2.1.HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND ... 6
2.3.ESTRUTURA INTERNA DO BETÃO ... 7
2.3.1.FASE SÓLIDA ... 7 2.3.2.FASE LÍQUIDA ... 8 2.3.3. FASE POROSA ... 9 2.4.MECANISMOS DE TRANSPORTE ... 11 2.4.1.PERMEAÇÃO ... 12 2.4.2.SUCÇÃO CAPILAR ... 13 2.4.3.DIFUSÃO ... 14
2.4.4. ANÁLISE DOS MECANISMOS DE TRANSPORTE ... 14
2.5.ADIÇÕES MINERALÓGICAS... 18
2.5.1. PROBLEMAS ACTUAIS E DESAFIOS DE SUSTENTABILIDADE ... 19
3. PARTE EXPERIMENTAL
... 233.1.SUMÁRIO DO PROGRAMA EXPERIMENTAL ... 23
3.2.MATERIAIS ... 24
3.2.1.CIMENTO ... 24
3.2.2.1. Areia ... 25 3.2.2.2. Brita 1 (Fina) ... 27 3.2.2.3. Brita 2 (Grossa) ... 29 3.2.3.ADIÇÃO MINERALÓGICA ... 30 3.2.3.1. Análise Granulométrica ... 31 3.2.3.2. Análise Mineralógica ... 36 3.3.PROPRIEDADES DA MISTURA ... 37
3.3.1.CONSIDERAÇÕES E DISPOSIÇÕES NORMATIVAS ... 37
3.3.2.CURVA DE REFERÊNCIA DE FAURY ... 40
3.3.3.PERCENTAGEM DE AREIA SUBSTITUÍDA ... 42
3.3.4.QUANTIDADE DE ÁGUA ... 42
3.4.EXECUÇÃO,MOLDAGEM E CURA DOS PROVETES ... 44
3.5.ESTADO ENDURECIDO ... 46
3.5.1.RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO ... 46
3.5.1.1. Ensaio ... 46
3.5.2. ABSORÇÃO DE ÁGUA POR CAPILARIDADE... 47
3.5.2.1. Ensaio ... 51
3.5.3. ABSORÇÃO DE ÁGUA POR IMERSÃO ... 52
3.5.3.1. Ensaio ... 53
3.5.4.PENETRAÇÃO DE CLORETOS ... 54
4. RESULTADOS, ANÁLISE E DISCUSSÃO
... 574.1.ADIÇÃO MINERALÓGICA ... 57
4.2.RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO ... 58
4.3.ABSORÇÃO DE ÁGUA POR CAPILARIDADE ... 59
4.3.1.VALIDAÇÃO E CORRECÇÃO DE RESULTADOS ... 63
4.4.ABSORÇÃO DE ÁGUA POR IMERSÃO ... 64
5. CONCLUSÕES
... 675.1.SÍNTESE ... 67
5.2.CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 67
BIBLIOGRAFIA
... 71Anexos
... A.1ANEXOA–ANÁLISE GRANULOMÉTRICA, MASSA VOLÚMICA E ABSORÇÃO DE ÁGUA DOS
AGREGADOS ... A.3 ANEXO A.1–AREIA ... A.5 ANEXO A.2–BRITA 1(FINA) ... A.7 ANEXO A.3–BRITA 2(GROSSA) ... A.9 ANEXO A.4–ANÁLISE GRANULOMÉTRICA DO SAIBRO ... A.11
ANEXOB–DIFRACÇÃO RAIOS X ... A.13 ANEXO B.1–FRACÇÃO <2µm, PREPARAÇÃO ORIENTADA SECA AO AR (NORMAL) ... A.15 ANEXO B.2–FRACÇÃO <2µm, SATURADA COM GLICOL ... A.17 ANEXO B.3–FRACÇÃO <2µm, PREPARAÇÃO DESORIENTADA ... A.19 ANEXO B.4–FRACÇÃO <2µm, AQUECIDA A 490ºC ... A.21
ANEXOC–ENSAIO DE RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO ... A.23 ANEXO C.1–FICHA DE ENSAIO DA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO AOS 7 DIAS ... A.25 ANEXO C.2–FICHA DE ENSAIO DA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO AOS 28 DIAS ... A.27
ANEXOD–ENSAIO DE ABSORÇÃO DE ÁGUA POR CAPILARIDADE ... A.29 ANEXO D.1–FICHA DE ENSAIO -PROVETES NORMAIS ... A.31 ANEXO D.2–FICHA DE ENSAIO -PROVETES ALTERADOS ... A.33 ANEXO D.3–VARIAÇÕES ENTRE AS PESAGENS ... A.35 ANEXO D.4–CORRECÇÃO ESTATÍSTICA ... A.37
ÍNDICE DE FIGURAS
Fig. 2.1 – Produtos de hidratação e descrição das fases de hidratação ... 7
Fig. 2.2 – Representação de certos tipos de água existente nos cristais de Silicato de Cálcio Hidratado (C-S-H)... 9
Fig. 2.3 – Modelo simplificado da estrutura porosa do cimento ... 10
Fig. 2.4 – Modelo de transporte de água no 1º Estádio ... 15
Fig. 2.5 – Transferência por filme (2º Estádio): Modelo de curto-circuito ... 16
Fig. 2.6 – Modelo de transporte de água no 3º Estádio ... 17
Fig. 2.7 – Modelo de transporte de iões no 3º Estádio ... 17
Fig. 3.1 – Curva de distribuição granulométrica da areia ... 27
Fig. 3.2 – Curva de distribuição granulométrica da brita 1 (Fina) ... 28
Fig. 3.3 – Curva de distribuição granulométrica da brita 2 (Grossa) ... 30
Fig. 3.4 – Saibro após extracção ... 30
Fig. 3.7 – Esquartelamento do material ... 32
Fig. 3.8 – Porção da amostra separada no peneiro de 2,00 mm ... 32
Fig. 3.9 – Lavagem do material retido no peneiro de 2,00 mm ... 33
Fig. 3.10 – Material retido e passado no peneiro de 2,00 mm após nova secagem ... 33
Fig. 3.11 – Copo de precipitação com a mistura, em fase de repouso... 34
Fig. 3.12 – Material retido no peneiro de 0,063 mm ... 34
Fig. 3.13 – Curva de distribuição granulométrica da adição mineralógica ... 35
Fig. 3. 14 – Composição do Betão – Método de Faury ... 41
Fig. 3.15 – Ensaio de abaixamento do cone Cone de Abrahms ... 43
Fig. 3.16 – Amassadura do betão ... 44
Fig. 3.17 – Vibração do betão ... 45
Fig. 3. 18 – Cilindros (esquerda) e cubos (direita), no estado fresco ... 45
Fig. 3. 19 – Cinemática de absorção capilar ... 50
Fig. 3. 20 – Qualidade do betão em função do coeficiente de absorção S ... 51
Fig. 3. 21 – Medição da altura capilar numa das faces do provete cilíndrico ... 52
Fig. 3.22 – Processo anódico e catódico na corrosão ... 54
Fig. 3.23 – Corrosão da armadura por “picadas” causada por cloretos ... 55
Fig. 4.1 – Comparação entre as curvas de distribuição granulométrica da areia e da adição mineralógica ... 57
Fig. 4.2 – Resultados da absorção de água por capilaridade ao longo do tempo
(todos os provetes) ... 60 Fig. 4.3 – Resultados da absorção de água por capilaridade ao longo do tempo (valores médios) .... 60 Fig. 4.4 – Resultados para a franja capilar (todos os provetes) ... 62 Fig. 4.5 – Resultados para a franja capilar (valores médios) ... 63 Fig. Anx1 – Resultados da absorção de água por capilaridade ao longo do tempo ... A. 37 Fig. Anx2 – Relações percentuais e regressões lineares ... A. 38
ÍNDICE DE QUADROS
Quadro 2.1 – Composição do clínquer Portland ... 6
Quadro 2.2 – Distribuição de tamanho dos poros e fissuras ... 11
Quadro 3.1 – Composição do núcleo de cimento ... 24
Quadro 3.2 – Características químicas do cimento ... 24
Quadro 3.3 – Resistência à compressão do cimento ... 25
Quadro 3.4 – Características físicas do cimento ... 25
Quadro 3.5 – Areia: Massa volúmica e Absorção de água ... 26
Quadro 3.6 – Distribuição granulométrica da areia... 26
Quadro 3.7 – Brita 1: Massa volúmica e Absorção de água ... 27
Quadro 3.8 – Distribuição granulométrica da brita 1 (Fina) ... 28
Quadro 3.9 – Brita 2: Massa volúmica e Absorção de água ... 28
Quadro 3.10 – Distribuição granulométrica da brita 2 (Grossa) ... 29
Quadro 3.11 – Distribuição granulométrica da adição mineralógica ... 35
Quadro 3.12 – Características adoptadas e exigências normativas ... 38
Quadro 3.13 – Definição dos parâmetros de Faury ... 38
Quadro 3.14 – Distribuição granulométrica da mistura ... 41
Quadro 3.15 – Quantidade de água e relação água/cimento ... 43
Quadro 4.1 – Resultados da resistência à compressão dos provetes cúbicos aos 7 dias ... 58
Quadro 4.2 – Resultados da resistência à compressão dos provetes cúbicos aos 28 dias ... 58
Quadro 4.3 – Raio médio das composições consideradas ... 63
Quadro 4.4 – Resultados do ensaio de absorção de água por imersão à pressão atmosférica ... 64 Quadro Anx1 – Relação percentual entre o provete A1 e os provetes A2 e A3 ... A.37 Quadro Anx2 – ordenada em funçaõ das regressões lineares para t=3h ... A.38 Quadro Anx3 – Média das estimativas para t=3h ... A.38
SÍMBOLOS E ABREVIATURAS
Notações Escalares Latinas (Maiúsculas):
A – Valor da absorção de água por imersão à pressão atmosférica (%) A – Área (m²)
A - Constante relacionada com a água absorvida (mg/mm²) Ac - (Kg/m² ou mg/mm²)
c
A
- Área da secção transversal (mm²) C.../... – Classe de resistência do betão D – Dimensão máxima do agregado (mm)D- Coeficiente de difusão (m2.s−1)
F – Carga (N)
H – Altura de água (m)
J- Velocidade de transporte de massa (g.s−1.m−2) K – Coeficiente de permeabilidade (m/s)
L – Caminho percorrido (m)
L - Comprimento da altura de sucção do líquido Q – Caudal (m³/s)
S... – Classe de abaixamento
S - Coeficiente de absorção (mg/mm².min0,5) Tipo I – Adições quase inertes
Tipo II – Adições pozolânicas ou hidráulicas latentes V – Velocidade de circulação da água (m/s)
WA₂₄ - Absorção de água, após 24 horas de imersão (%)
XC2 – Classe de exposição ambiental: Corrosão induzida por carbonatação
Di
Y
- Ordenada de característica de FauryFórmulas químicas:
C₂S – Silicato bicálcico C₃S – Silicato tricálcico C₃A – Aluminato tricálcico
C₄AF – Aluminoferrato tetracálcico CaO – Óxido de cálcio
Ca(OH)₂ - Hidóxido de cálcio CaSO₄2H₂O – Gesso
CSH – Silicato de cálcio hidratado Cl⁻ – Ião cloreto
Fe²⁺ – Ião ferro (II) H₂O – Água O₂ – Oxigénio OH⁻ – Ião oxidrilo SO₃ – Sulfatos
Notações Escalares Latinas (Minúsculas):
de dc
– Gradiente de concentração c (g.m−3), ao longo da espessura e (m). e⁻ – Electrão
fc – Resistência à compressão (MPa)
cubo
fck – Valor característico da resistência à compressão (MPa)
-i Gradiente de pressão hidráulica (m/m)
i – Quantidade de água absorvida (mg/mm²)
p – Pressão (g)
r – Raio médio dos poros(mm)
t – Tempo (seg ou min)
Notações Escalares Gregas:
-γ Viscosidade cinemática da água (g/mm)
- Massa volúmica do material impermeável das partículas (Mg/m³) - Massa volúmica das partículas secas (Mg/m³)
- Média da massa volúmica das partículas saturadas com superfície seca (Mg/m³)
v
υ
- Volume de vazios (L)η- Viscosidade do líquido (g.s/mm²)
Abreviaturas:
A – Água (L/m³) A/C – Água/Cimento
ASTM – American Society for Testing and Materials BET – (Brunauer, Emmet e Teller)
C – Cimento (Kg/m³) CEM I – Cimento Portland
CEM II/B-L 32,5N – Cimento Portland de calcário (Classe de Resistência 32,5N) EN – European standards
HR – Humidade relativa
LEMC – Laboratório de Ensaio de Materiais de Construção LENEC – Laboratório Nacional de Engenharia Civil
MB – Azul de Metileno MF – Módulo de Finura NP – Norma Portuguesa
RCD - Redíduos de Construção e Demolição SE – Equivalente de Areia
1
INTRODUÇÃO
1.1.NOTA INTRODUTÓRIA
O Betão apresenta-se como material construtivo há milhares de anos. Através da mistura de argila ou argila margosa com areia, cascalho e água chegar-se-ia, ainda que de uma forma primária, à descoberta de um dos materiais de construção mais utilizados em todo o mundo (Stanley, 1982). Com a formação, crescimento e vigor do império Romano, as questões construtivas, ora ligadas à engenharia militar ora à engenharia arquitectónica, foram alvo de evoluções extraordinárias levando, no caso específico do betão, a que se iniciasse a aplicação de um novo ligante através da mistura de pozolana natural com cal aérea. Inicia-se assim a generalização da sua aplicabilidade. No entanto, seria ainda necessário colmatar a sua deficiente resistência à tracção, o que não seria conseguido de forma imediata (Appleton, 2005). No século XVIII, são dados novos passos realmente significativos, com a aprovação da patente do cimento Portland, conseguindo-se finalmente, passadas algumas décadas, encontrar a forma das estruturas suportarem as acções de tracção, nascendo assim o betão armado, para além das progressivas melhorias no desempenho deste “novo ligante”.
Este casamento entre o betão e o aço corresponde a um passo magnificente e único para a construção, pois tornou-se possível adquirir as formas arquitetónicas pretendidas, garantindo uma excelente capacidade resistente.
O aprofundamento contínuo do estudo do betão levou a que a resistência às forças solicitantes deixasse de ser a única problemática do betão podendo-se assim partir para a análise de novos aspectos comportamentais. A somar a isto, alguns anos após o início da proliferação do uso do betão armado, começa-se a notar que algumas das estruturas existentes iniciam processos de degradação excessivamente acelerados, diminuindo as suas capacidades de desempenho e levando, em certos casos, ao aparecimento de acidentes estruturais. Perante todo este conjunto de ocorrências, tornou-se imperativo focalizar os esforços noutras propriedades, surgindo assim o conceito de durabilidade (Coutinho, 1998).
Inicia-se assim, e de uma forma cada vez mais preponderante, a abordagem das características relacionadas com o transporte de substâncias através do betão, nomeadamente daquelas que lidam com a penetração de agentes agressivos, pois o desempenho associado à vida útil das construções traz implicações não só de importância estrutural mas também de cariz económico, de exigências de funcionalidade e até de aspectos urbanístico-sociais.
Para além da exigência de verificar e respeitar condições de serviço, de acordo com as características a que o betão se encontrará sujeito, a compreensão do modo de acção dos agentes agressivos levou à iniciativa de incorporar algumas partículas que permitissem corrigir tais debilidades. Chega-se assim à
melhoria das propriedades através da incorporação de adições, levando a um aumento da qualidade dos elementos construtivos.
Estes contínuos processos e melhorias são o exemplo claro de que o sector da construção tende a adaptar as suas orientações às necessidades que vão surgindo. Nos tempos de hoje, a sustentabilidade tem sido escalpelizada entre as mais diversas áreas nas sociedades desenvolvidas, tentando assim alcançar um equilíbrio, o mais proporcionado possível, entre os aspectos ambientais, económicos, sociais e culturais.
1.2.JUSTIFICAÇÃO DO TEMA
A indústria da construção civil é uma das maiores, senão a maior, geradora de resíduos em toda a sociedade, para além de ser responsável pelo consumo de uma parte substancial dos recursos naturais extraídos. No entanto, este sector tem vindo a consciencializar-se relativamente a estes factos, de uma forma cada vez mais imperativa, tentando apresentar condições e processos técnicos que possibilitem conciliar o progresso e o ambiente. Assim sendo, a sustentabilidade na construção leva a que tanto os materiais, como os próprios processos construtivos se apresentem em contínua evolução (Pinto et al., 2001).
O betão, sendo o principal material construtivo, não é excepção a estas preocupações, podendo a sua contribuição para uma construção mais sustentável ser operada através da substituição (parcial ou até total) de alguns dos seus componentes habituais. Estes últimos podem ser elementos excedentes tanto da indústria da construção como até de outros sectores. Esta abordagem permite uma diminuição dos impactes ambientes, pois reduz o volume de resíduos excedentes, possibilitando também a prevenção dos recursos minerais não renováveis. (Gomes et al., 2004)
As fontes de agregados finos naturais encontram-se no limiar das suas capacidades. Portanto, a tecnologia do betão deverá tentar acautelar, racionalizar e reduzir a aplicação deste bem que, cada vez mais, vai escasseando. Como estes componentes naturais podem ser utilizados aquando da sua extração, tornou-se necessário definir determinadas exigências para que estes elementos possam ser aplicados para a produção de betão (Almeida et al., 2004).
A limitação do teor de argila é uma das especificações técnicas exigidas, pois alguns dos seus minerais constituintes interferem nas reacções de hidratação do ligante, através da ocupação de algumas partes da superfície das partículas do cimento (Coutinho, 1997a). O critério habitualmente usado para dissociar o material argiloso do restante baseia-se numa análise puramente dimensional, através do uso de um peneiro com 75 µm, o que pode conduzir a uma associação parcialmente deturpada entre o tamanho das partículas e seus efeitos perniciosos, pois estes últimos resultam apenas das características químicas.
Por sua vez, na generalidade do território Português, existem zonas onde as camadas superficiais ou as imediatamente subjacentes à camada de terra vegetal, que será alvo de uma decapagem e remoção de alguns centímetros caso exista, apresentam solos de partículas não consolidadas com características aparentemente semelhantes às partículas finas da areia natural ou até misturadas com a própria areia. Um exemplo claro de níveis com estas particularidades é o saibro, que muitas vezes tem de ser removido durante a fase de pré-construção para que posteriormente seja possível construir as fundações e pisos subterrâneos. Estes materiais extraídos, normalmente, são levados para vazadouro implicando assim, para além dos encargos económicos associados ao transporte dos detritos, um aumento do volume de entulho existente.
Pretende-se no presente trabalho estudar a viabilidade de aplicação do saibro corrente em substituição parcial da areia natural como constituinte do betão. Este solo será, aparentemente, material excedentário do terreno onde se pretende edificar. Caso seja possível substituir parte da areia por este material, obter-se-á de imediato uma redução dos custos directos da obra. Outras vantajens são a diminuições dos impactes ambientais, em paralelo com uma maior harmonização geral do processo construtivo.
O betão na sua essência é um elemento puramente estrutural, como tal a apreciação das tensões suportadas é uma característica primordial e de abordagem obrigatória. Porém, nos tempos de hoje, a indústria da construção, quando estamos perante o uso do betão, foca a sua atenção muito para além dos seus parâmetros de resistência. Assim sendo, alguns dos aspectos de durabilidade que se relacionam directamente com desempenhos decisivos, tanto a curto como a longo prazo, merecem ser examinados com algum detalhe. Estas exigências têm requerido um estudo e uma apreciação cada vez mais rigorosos, pois, quando tal desempenho não é suficiente, os encargos com a manutenção e reabilitação apresentam-se extremamente onerosos, para além dos problemas estruturais e condicionantes sociais.
Apresenta-se de supra importância a modelação dos fenómenos que, em associação com o meio envolvente, permitem avaliar a interação entre a passagem através do betão de gases, vapor e líquidos com a deterioração do betão. Deste modo, é possível proceder a um estudo relativo às características que permitem definir e quantificar os diversos processos de transporte através do betão.
A presente pesquisa pretende analisar, comparativamente a um betão tido como normal, um outro que foi alterado através da substituição parcial da areia por saibro. Executam-se, para além dos ensaios de resistência à compressão, alguns ensaios que possibilitam analisar o seu comportamento em relação ao transporte de substâncias através da sua estrutura, visando assim a análise dos aspectos de durabilidade.
1.3.OBJECTIVOS DO TRABALHO
O objectivo geral deste trabalho visa a determinação da influência da substituição parcial de areia natural por saibro, nas principais propriedades físicas do betão, tendo em conta a sua utilização em algumas obras estruturais de pequena dimensão.
Os objectivos específicos passam por:
− Determinar as características do saibro utilizado, em substituição de parte da areia, através da definição de algumas características físicas e mineralógicas analisando as suas consequências no comportamento do betão;
− Analisar e alertar para a necessidade da racionalização dos processos da indústria construtiva, mais concretamente na importância da gestão cuidada dos recursos naturais de forma a constituir metodologias e técnicas mais sustentáveis;
− Avaliar a existência de diferenças significativas entre o betão normal (tido como referência) e a nova composição proposta, através da avaliação das propriedades relacionadas com o transporte de substâncias, assim como em relação à resistência à compressão;
− Procurar relações entre os vários resultados obtidos para as propriedades avaliadas, assim como inferir das diferenças no modelo interno da estrutura do betão e diferenças comportamentais segundo aspectos de durabilidade.
Importa salientar que não é objectivo deste trabalho realizar uma análise exaustiva das características dos betões com a incorporação de saibro, mas sim analisar a importância da sua aplicação para a indústria da construção e tecnologia do betão e estudar a sua viabilidade da avaliação do comportamento estrutural e de durabilidade.
1.4.ESTRUTURA DO TRABALHO
A presente dissertação apresenta-se estruturada em cinco capítulos. No capítulo inicial, encontra-se a introdução, onde se expõe uma breve nota introdutória sobre a evolução do betão, a justificação do tema e finalmente os objectivos alvo de análise.
No segundo capítulo, denominado por estado da arte, é definido inicialmente o material construtivo “betão”, através da explanação do processo de formação do cimento Portland e da hidratação deste mesmo material. Apresenta-se, em seguida, a estrutura interna do betão e as suas três fases distintas (sólida, líquida e porosa). São também apresentados os mecanismos de transporte através da estrutura do betão, assim como uma cuidada e detalhada análise de cada um destes processos. Por último, aborda-se, ainda que superficialmente, a questão das adições mineralógicas, suas influências no betão e a necessidade de incorporar novos elementos nas composições tradicionais.
No capítulo 3, é explanada a metodologia do programa experimental, detalhes da sua execução, características, considerações, opções e proposições estabelecidas. São caracterizados os materiais empregues, o tratamento dos provetes e é feita a descrição dos ensaios realizados. Inclui-se, antes da descrição de cada um dos ensaios, uma abordagem teórica sobre o fenómeno analisado assim como a importância para a estrutura do betão.
No quarto capítulo, são apresentados, analisados e discutidos os resultados experimentais obtidos. A principal avaliação passará por comparar e determinar as razões entre as diferenças do novo betão e o de referência. Sempre que possível, proceder-se-á a uma associação entre os ensaios, assim como se procurará comparar tais resultados com valores externos de referência ou de avaliação.
Por último, no quinto capítulo, são apresentadas as conclusões através das considerações finais e de sugestões para trabalhos futuros.
2
ESTADO DA ARTE
2.1.INTRODUÇÃO
No presente capítulo, é efectuada uma apresentação do material de construção “betão” assim como alguns factores intervenientes no seu desempenho, mais especificamente os aspectos de durabilidade. Como ponto de partida, é determinante a compreensão da natureza e forma de acção do cimento Portland através do fenómeno da sua hidratação e posterior formação da sua estrutura interna. De facto, é através da formação desta estrutura que é possível adquirir um material resistente, havendo também a possibilidade de se processarem mecanismos de transporte de alguns elementos em diferentes estados. Estas transferências podem resultar em variadas acções sobre as construções e respectivos materiais constituintes, dando origem a factores de degradação, falta de estanquidade, etc., levando ao aparecimento de patologias.
Estas debilidades, resultantes de uma concepção desadequada e/ou desempenho insuficiente, relativamente ao especificado, podem eventualmente não “perturbar” nem trazer implicações importantes; porém, uma parte significativa deste tipo de debilidades nas construções, conduzem a problemas comportamentais graves, havendo a necessidade de considerar processos de intervenção e reabilitação.
Após a explanação do material construtivo betão, assim como dos seus aspectos resistentes e processos de actuação dos mecanismos de transporte, será analisada e contextualizada a acção de certas adições mineralógicas. Será também analisada a necessidade de introduzir novos materiais como agregados em vez dos naturais usualmente utilizados.
As questões abordadas neste capítulo apresentam relevância na compreensão da generalidade dos aspectos estudados no presente trabalho, com especial evidência para a importância da poblemática da durabilidade.
2.2.CIMENTO PORTLAND
“O Betão é um material constituído pela mistura, devidamente proporcionada, de pedras e areia, com um ligante hidráulico, água e, eventualmente, adjuvantes. A propriedade que os produtos da reacção do ligante com a água têm de endurecer, confere à mistura uma coesão e resistência que lhe permite servir como material de construção” (Coutinho, 1997a).
Esta mistura, tão especial e única, apenas é possível estabelecer-se devido à acção do cimento Portland. Este material com capacidade de aglutinação e coesão, considerado até como o “Rei” dos
ligantes hidráulicos, apresenta, além da capacidade de aglomerar grandes quantidades de agregados, uma resistência única e incomparavelmente superior aos elementos da mesma família.
Através de processos específicos de fabrico, o cimento Portland produz-se com uma mistura de calcário e argila, podendo ser adicionadas pequenas quantidades de outras matérias-primas. Estes métodos de manufactura são compostos por reacções físicas e químicas dando origem a um novo produto denominado de clínquer, com dimensões de 2-3mm a 20-25mm (Neville, 1995 e Coutinho, 1997a).
A estabilização e cristalização destas novas partículas, apresenta os seguintes componentes principais (Quadro 2.1):
Quadro 2.1 – Composição do clínquer Portland (Coutinho, 1997a)
Silicato Tricálcico 3CaO.SiO₂ 20% a 65% Silicato Bicálcico 2CaO.SiO₂ 10% a 55% Aluminato Tricálcico 3CaO.Al₂O₃ 0% a 15% Aluminoferrato Tetracálcico 4CaO.Al₂O₃.Fe₂O₃ 5% a 15%
Estes compostos não se encontram de uma forma pura, ou seja, apresentam átomos de substituição no lugar de cálcio, silício e de alumínio, sendo designados por Alite (C3S), Belite (C2S), fase Aluminato (C3A) e fase Ferrítica (C4AF).
O produto final, denominado cimento, é obtido por moagem do clínquer, com adição de gesso (CaSO₄.2H₂O) para regular a presa do cimento, retardando-a.
2.2.1.HIDRATAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND
A obtenção do betão passa pela mistura dos agregados com o ligante hidráulico e a água, pois este último componente desencadeia processos físicos e químicos que levam ao início do processo de hidratação. De acordo com diversos autores, designadamente Coutinho (1997a), Maekawa et al. (1999) e Beek (2000), poder-se-á dividir o processo de hidratação do cimento Portland no período de pré-indução, indução (ou dormente), aceleração e estado final.
O cimento ao entrar em contacto com a água leva a que aconteçam, de um modo instântaneo, reacções entre os iões superficiais do clínquer e da água, formando-se assim os primeiros silicatos de cálcio hidratados. Esta fase de reacções ocorre num curto período de tempo, no máximo de 5 minutos, caracterizando-se, pelas suas reacções serem bastante exotérmicas, sendo denominada pelo período de pré-indução (Fig. 2.1).
Posteriormente, as partículas apresentam uma aparente inactividade devido à criação de uma membrana instável e semipermeável. Verifica-se, mesmo assim, a troca de iões entre a solução de contacto e o silicato tricálcico anidro, sendo esta etapa designada como período de indução ou dormente.
Com o progressivo enriquecimento em cálcio dos silicatos hidratados da membrana, esta aumentará a permeabilidade levando à sua eliminação. Com o restabelecimento da hidratação, estabelecer-se-ão elevadas velocidades de reacção formando-se assim, os silicatos hidratados e hidróxido de cálcio. Neste período de aceleração, as partículas do cimento começam a sua expansão. Inicia-se, deste modo,
À medida que a formação dos productos de hidratação vai avançando, a quantidade de água em contacto com as partículas de cimento e a consequente troca de iões, vai diminuindo. Os produtos de hidratação tornam-se cada vez mais estáveis, entrando-se assim no estado final de hidratação. Também designada por difusão controlada de hidratação, esta etapa final leva a que as fibras alongadas iniciais sejam completadas pelo aparecimento de novos produtos de hidratação. Ter-se-á um espessamento progressivo em volta das partículas do cimento, contribuindo assim para a redução da sua estrutura porosa.
Figura 2.1 – Produtos de hidratação e descrição das fases de hidratação (Azenha, 2004 adaptado de Beek, 2000)
2.3.ESTRUTURA INTERNA DO BETÃO
A estrutura do betão é naturalmente heterogénea, complexa e muito desigual entre si. No entanto, torna-se necessário agrupar alguns dos seus aspectos característicos, para assim se proceder a uma análise tanto a nível interno como externo. Deste modo, poder-se-á estudar o betão micro ou macroscopicamente.
Macroscopicamente, trata-se de um material de duas fases distintas, ou seja, composto por uma matriz de cimento na qual existem, de uma forma dispersa, as partículas do agregado. Esta análise macroscópica permite aferir sobre algumas propriedades da complexa mistura em análise; no entanto, é a nível microscópico que se consegue encontrar justificação para a maioria das características que influenciam e definem o desempenho do betão (Mehta et al., 1994).
Este exame, a nível microscópico, leva a que se acrescente à estrutura bifásica, definida primeiramente, uma terceira fase designada por zona de transição. Esta representa a região de interface entre as partículas do agregado de maiores dimensões e a pasta de cimento (Mehta et al., 1994). Uma outra forma de analisar as características do betão, microscopicamente, passa pela dissociação e estudo das seguintes fases: fase sólida, fase líquida e fase de poros – porosidade (Salta, 1999).
2.3.1.FASE SÓLIDA
A fase sólida comporta a pasta de cimento hidratada, os agregados e a zona de transição pasta-agregado (Hoffmann, 2001).
A pasta de cimento hidratado é formada, através da adição de água e consequentes reacções físico-químicas, desenvolvendo-se um processo de aglomeração dos productos resultantes das reacções entre os grãos de cimento. Para além da capacidade resistente às tensões, a estrutura do cimento hidratado definirá de forma determinante o desempenho do betão no que respeita ao controlo dos agentes agressivos.
Os agregados com as suas propriedades naturais, tais como, forma, textura, volume e porosidade influenciam as características e desempenho do betão. A resistência mecânica através das características de granulometria e aspectos químicos de alguns agentes prejudiciais para o betão, o módulo de elasticidade, a trabalhabilidade, o ângulo de atrito interno, a resistência à embebição e secagem e resistência térmica à congelação da água são propriedades que, apesar de estarem ligeiramente interligadas com as características do cimento, são essencialmente determinadas pelos agregados (Coutinho, 1997a e Neville, 1995).
A zona de transição representa a superfície entre a pasta de cimento e as partículas de agregado de maiores dimensões. É uma camada que apresenta espessuras entre os 10µm e os 50µm em volta dessas partículas do agregado e tende a influenciar decisivamente o desempenho global da estrutura do betão, pois é a região do ligante naturalmente mais porosa e, consequentemente, menos compacta (Mehta et
al., 1994 e Salta, 1999).
O seu desempenho pode ser alterado através do aumento da concentração de pequenas partículas junto das superfícies do agregado, pois conduz a uma maior porosidade na zona de transição, quando o betão se encontra no estado fresco. Porém, como o grau de hidratação também é muito superior na zona de transição do que nos agregados, com o progresso da hidratação a porosidade da zona de transição reduzir-se-á substancialmente, levando a que as características de desempenho mecânico e de durabilidade, sejam francamente superiores (Pang et al., 2009).
2.3.2.FASE LÍQUIDA
A água é o agente que desencadeia o início do processo de formação da pasta de cimento e se mantém durante todo o processo de formação dos produtos de hidratação, podendo existir em grandes quantidades, assim como se apresentar de variadas formas dentro da estrutura do betão.
As condições exteriores de temperatura e de tensão de vapor a que as estruturas de betão se encontram expostas, são factores que condicionam, podendo alterar de modo quase instantâneo até, as características e respectivo desempenho da estrutura de betão.
Uma abordagem geral poderá começar pela distinção entre a água evaporável e a não evaporável. Esta divisão traduz, na realidade, a água que é removida do interior da estrutura do betão devido a uma determinada redução da pressão de vapor. Assim sendo, a tensão de vapor e a temperatura são condições decisivas para a quantidade de água aí retida (Coutinho, 1997a e Neville, 1995).
De acordo com Neville (1995), a análise específica dos diversos modos de água existentes, conduz-nos a que sejam separados três estádios distintos. Por um lado temos a água que se encontra combinada quimicamente, tomando parte na estrutura definitiva do betão. Engloba-se nesta tipologia a água de constituição e a água de cristalização que correspondem, de uma forma aproximada, à água não evaporável (Coutinho, 1997a).
No campo oposto, a esta primeira caracterização, está a água capilar e a água livre. A água capilar, existente nos poros capilares, encontra-se para além das forças de adsorção. A sua saída e entrada são
disponível para evaporar durante o endurecimento, pois não se encontra sujeita a quaisquer forças (Neville, 1995).
Entre estes dois estádios opostos encontramos a água de gel, que pode ser dividida em água zeolítica e água fisicamente adsorvida. Como água zeolítica entenda-se a água associada à rede cristalina do sal, ou seja, aquela que se encontra na superfície interlamelar. A sua entrada ou saída implica uma alteração do espaçamento das camadas lamelares; no entanto tais situações não representam mudanças na sua estrutura. A água que se encontra atraída, sob acção das forças superficiais dos componentes hidratados, é denominada por água fisicamente adsorvida (Neville, 1995).
Fig. 2.2 – Representação de certos tipos de água existente nos cristais de Silicato de Cálcio Hidratado (C-S-H) (Coutinho, 2006b adaptado de Domone, 1994)
A presença de água na estrutura interna do betão é especialmente focada pois a sua existência poderá, para além da transferência do próprio fluído dentro do betão, servir como solvente relativamente a agentes agressivos existentes no exterior, possibilitando a sua incorporação desencadear e acelerar processos de deterioração tanto do betão como de armaduras que eventualmente possam existir.
2.3.3.FASE POROSA
A estrutura porosa é uma das características determinante para o desempenho do betão, mais exatamente através dos seus aspectos de durabilidade do betão, pois é por intermédio desta estrutura do sistema que o conjunto dos mecanismos de transferência são definidos e condicionados.
De acordo com alguns autores (Neville, 1995 e Hearn et al., 2001), os poros podem ser agrupados nas seguintes categorias:
Microporos;
Poros Capilares;
Macroporos.
Os Microporos dizem respeito aos poros do cimento hidratado (poros de gel). Surgem devido ao crescimento cristalino em torno das superfícies dos grãos de cimento, ou seja, são o resultado da
formação da sua estrutura lamelar (Fig. 2.3). Apresentam dimensões entre 1nm e 0,03µm, que corresponde a dimensões superiores à água na ordem de uma unidade de ordem de grandeza. Estes poros representam entre 26% e 28% do volume total do gel (Hearn et al., 2006).
Estes valores percentuais são intrínsecos das características do próprio cimento, não sendo afectados pela relação A/C da mistura nem pela evolução do processo de hidratação. No entanto, com o avanço do processo de hidratação ter-se-á, naturalmente, uma maior quantidade de gel e em consequência um aumento da quantidade dos microporos (Neville, 1995 e Hearn et al., 2006).
Os espaços periféricos que não são ocupados, aquando da formação dos feixes de cristais da pasta de cimento, dão origem aos poros capilares (Fig. 2.3), que apresentam dimensões bastante superiores aos descritos anteriormente. Estes poros com dimensões entre os 10-2 µm e os 50 µm são, no fundo, a parte do volume total que não foi preenchida pelos produtos da hidratação. Naturalmente com o avanço do processo de hidratação, e respectivo aumento dos seus produtos, o sistema de poros capilares interligados entre si, no momento inicial da formação de tais produtos, irão reduzindo o seu volume progressivamente. Esta redução progressiva pode até levar ao bloqueio de tais conexões, segmentando assim o sistema interconectado existente na pasta de cimento. Como tal, a relação água/cimento e o grau de hidratação são factores decisivos neste tipo de poros (Neville, 1995 e Hearn
et al., 2006).
Fig. 2.3 – Modelo simplificado da estrutura porosa do cimento (Coutinho, 1998 adaptado de Neville, 1995)
Os Macroporos apresentam dimensões superiores e resultam do excesso de água empregue por questões de fabrico, colocação e compactação (1 a 50 µm) ou então da retenção de ar emulsionado durante a execução da amassadura (1 a 3mm). As deficiências granulométricas podem contribuir para a criação de poros que, caso existam também serão englobados nesta categoria (Hearn et al., 2006). A água excedente, relativamente ao processo de cristalização, manter-se-á como água livre dentro da estrutura do betão. No entanto, com a sua evaporação serão formados caminhos contínuos (canalículos) de fluxo na matriz do cimento hidratado. As bolsas de ar “aprisionado” ou “ocluído” (NP EN 206-1), apresentam dimensões ligeiramente superiores aos poros anteriormente descritos, no entanto a sua existência não é tão gravosa pois estes encontram-se isolados e não constituem uma rede contínua de passagem. Estas bolsas de ar representam entre 1% a 5% do volume total do betão (Hearn
Tendo como base as considerações de Hearn et al. (2001), as dimensões dos diversos poros encontram-se comparados e agrupados no quadro 2.2.
Quadro 2.2 – Distribuição de tamanho dos poros e fissuras (Hearn et al., 2001) Descrição Dimensões em µm Poros de Cimento 0,001 a 0,03 M ic ro p o ro s Poros Capilares 0,01 a 50 P o ro s C a p il a re s Canalículos (resultantes da evaporação) 1 a 50 M a c ro p o ro s Bolsas de ar 1000 a 3000 Fissuras 1 a 60
A estrutura porosa é resultado de múltiplas condicionantes que vão desde as próprias características naturais dos componentes do betão até às más práticas de colocação, compactação ou excesso de água. O sistema de poros necessita de ser analisado, tendo em conta as dimensões destes, assim como a conectividade e respectiva distribuição dentro da complexa mistura. Saliente-se que todo este conjunto de poros se apresenta numa progressiva alteração tanto devido à contínua hidratação assim como aos processos de deterioração, devido à exposição. A análise da porosidade fornece-nos, apenas, informações para uma determinada mistura em um determinado momento.
Para além dos fluxos de água ou de outras partículas através do meio poroso, não deverão ser esquecidos os movimentos através das fissuras. Tal como referenciado por Hearn et al. (2001), a fissuração poderá ocorrer no betão endurecido como resultado da retracção por secagem, retracção de carbonatação, retracção térmica ou acção de cargas exteriores. Quando ocorre, permite a existência de um elevado fluxo através da matriz de cimento, pois a dimensão das fissuras é bastante superior à generalidade dos restantes poros (Quadro 2.2). Assim, com tal formação, permite que se estabeleçam percursos contínuos de passagem.
2.4.MECANISMOS DE TRANSPORTE
A durabilidade do betão depende da capacidade que este tem em dificultar e/ou evitar o seu atravessamento pelas diversas substâncias, nomeadamente a água na sua forma pura ou com iões agressivos, particularmente o dióxido de carbono e o oxigénio (Neville, 1995 e Coutinho, 1994). Os fluxos que se possam estabelecer através do betão são influenciados essencialmente pela sua matriz de poros; porém, tal como foi referido anteriormente, esse movimento é bastante complexo de caracterizar, pois a estrutura porosa apresenta-se em contínua alteração assim como também pode
ocorrer a alteração de solubilidade dos próprios productos de hidratação. Mas para compreender a interacção entre a rede porosa e a incorporação das partículas, é fulcral identificar e analisar cada um dos mecanismos existentes assim como a interação entre eles.
O processo de ingresso ou atravessamento de partículas pode ser explicado através de três mecanismos elementares de transporte: permeação, sucção capilar e difusão (Coutinho et al., 1994 e Neville, 1995).
2.4.1.PERMEAÇÃO
A permeação, caracterizada vulgarmente pela sua propriedade inerente – a permeabilidade, é apresentada como a capacidade de um meio poroso se deixar atravessar quando sujeito a um gradiente de pressão hidráulica. É estabelecido um escoamento laminar, a caudal constante, que pode ser quantificado a partir da Lei de Darcy (aplicável a meios porosos) e que se encontra expresso na seguinte expressão (Coutinho et al., 1994):
i K =
V (2.1.)
-V Velocidade de circulação da água (m/s);
-i Gradiente de pressão hidráulica (m/m);
-K Coeficiente de permeabilidade (m/s).
Como a velocidade é o quociente do caudal (Q) por unidade de área (A) e o gradiente hidráulico é o quociente da altura de água (H) pelo caminho percorrido (L), é possível chegar ao coeficiente de permeabilidade (K). H A L Q = K (2.2.)
Este conceito reflete, na realidade, o fluxo médio que atravessa o sistema poroso em análise, associando-se assim, uma dimensão média dos poros através dos quais se estabelece essa transferência. Realce-se também que para ser atingido um escoamento laminar é necessário que a estrutura interna fique saturada na sua totalidade, o que é um processo bastante demorado, podendo inclusive nem ser atingido em certas situações. Como se compreende, a maioria das estruturas não se encontra sujeita a tais condições e daí se conclui que uma análise da durabilidade apenas a partir da permeabilidade assume contornos desfasados da realidade. Contudo, este ensaio não deixa de ser um espelho bastante fiel da estrutura porosa existente.
A permeabilidade serviu, durante muitos anos, como agente caracterizador do desempenho do conjunto das propriedades associadas à durabilidade, sendo até definido por diversos autores como a facilidade com que os fluidos atravessam o betão (Neville, 1995).
2.4.2.SUCÇÃO CAPILAR
A absorção de água por capilaridade corresponde à entrada de água na estrutura interna do betão devido a uma tensão superficial, que age sobre os poros. É assim estabelecido um diferencial de pressão entre a superfície livre da água e os poros capilares, que levará ao aparecimento de um fluxo através desses mesmos poros. Para além dos aspectos da ambiência existente, características como o raio, continuidade e tortuosidade da rede porosa existente, são factores que influenciam a acção do líquido, assim como as características inerentes do líquido, tais como a viscosidade, tensão superficial e densidade (Freitas, 1992, Coutinho, 1994 e Neville, 1995).
Porém, é conveniente realizar uma análise genérica à terminologia apresentada e assim esclarecer e tecer algumas considerações sobre tais denominações.
A absorção, no campo da física e química, é o processo físico ou químico de incorporação e respectiva fixação de átomos, moléculas ou iões num material de um estado, para outro estado distinto, normalmente mais maciço.
O fenómeno de adsorção consiste na adesão de um gás ou líquido à superfície de um sólido, resultando assim a acumulação dessas moléculas nessa superfície. Esta fixação de partículas, resulta da interacção com as forças de Van Der Waals. O betão, como substância porosa que é, é, por si só, um óptimo adsorvente.
Mais especificamente, poderá dizer-se que partículas submetidas à absorção são absorvidas pelo volume, enquanto que no caso da adsorção, são-no pela superfície.
A partir desta análise bastante específica, refira-se que a conjugação de ambos os fenómenos descritos, ilustra o comportamento existente através da estrutura porosa do betão. Assim sendo, tal comportamento conjugado em simultâneo por ambos os fenómenos resulta na incorporação e fixação de gases ou líquidos na superfície interna do betão que se encontra no estado sólido, naturalmente. A acção conjunta de absorção e adsorção quando ocorre em simultâneo designa-se como sucção (“sorption” na língua Inglesa). O “termo” absorção, na área técnico-científica do betão, ao ser analisado no sentido lato, apresenta-se desajustado para o fenómeno de fluxo de água devido à tensão capilar, num betão não saturado.
Após esta exposição e análise puramente terminológica, considera-se mais apropriado empregar o termo “sucção” ou “sucção capilar”, para definir este mecanismo de transporte.
Uma referência ainda ao fenómeno contrário à sucção. O processo inverso consiste na libertação de água adsorvida e absorvida quando se criam condições para essa mesma saída. Tal fenómeno designado por “desorption”, na língua Inglesa, aparece em casos pontuais traduzido como dessorção. Porém, tal como no caso da absorção, é empregue correntemente o termo desabsorção englobando a desabsorção e a desadsorção.
Retome-se novamente a análise deste fenómeno. A sucção capilar, resulta da criação de uma diferença de pressão entre a superfície livre e a superfície do poro capilar que se encontra em contacto com a água. Esta pressão, designada como pressão capilar, pemite a criação de um processo de ascensão com uma determinada pressão (p), expressa por aplicação da Lei de Jurin (Coutinho et al., 1994):
r
p= 2γ (2.3.)
-r Raio médio dos poros (mm);
Este mecanismo de transporte é analisado e caracterizado com mais detalhe no capítulo referente à parte experimental, mais exactamente no ponto 3.5.2..
2.4.3.DIFUSÃO
A difusão de iões líquidos e gases apresenta-se como a movimentação dessas partículas devido à existência de uma diferença de concentração quando não existem gradientes de pressão hidráulica. Esta grandeza expressa a velocidade com que essas partículas se movimentam em função das concentrações existentes. Tal relação é expressa através da lei da difusão (1ª Lei de Fick) (Coutinho et
al., 1994 e Neville, 1995):
de dc D
J =− (2.4.)
J- Velocidade de transporte de massa (g.s−1.m−2);
D- Coeficiente de difusão (m2.s−1);
de dc
- Gradiente de concentração c (g.m−3), ao longo da espessura e (m).
2.4.4.ANÁLISE DOS MECANISMOS DE TRANSPORTE
O sistema em equilíbrio quando sofre uma alteração, resultante das condições exteriores ou até internas, leva a que o sistema reaja na tentativa de restabelecer novamente o equilíbrio. Os três mecanismos apresentados permitem interpretar a generalidade dos processos de movimentação através da estrutura do betão; contudo, a modelização da acção é bastante mais complexa do que a simples distinção entre eles.
De acordo com Neville (1995), a actuação de cada mecanismo não ocorre de forma independente e dissociada dos restantes, levando a que se estabeleça uma interacção destes processos de movimentação, conduzindo a sistemas de movimentação peculiares. Esta acção conjunta será influenciada pelas características do betão, pelas condições definidas pela ambiência, assim como pelo “peso” na acção de interacção dos mecanismos (elementares) (Hearn et al., 2006).
A estipulação dos processos de avaliação é bastante complexa e relativa, pois aos factores antes referidos, acrescenta-se que dentro da estrutura do betão também é possível uma contínua mudança estrutural e de concentração, podendo resultar numa interacção distinta entre estes mecanismos ao longo do tempo. As alterações das condições exteriores (temperatura, pressão e gradiente químico) podem conduzir à alteração dos fluxos adquiridos, assim como mudar o tipo de processo estabelecido (Rose, 1965 e Hearn et al., 2006).
Outras acções exteriores, tais como o vento, a chuva e a gravidade, por muito insignificantes que se apresentem, podem ser também um factor de alteração durante a movimentação de partículas.
A complexa coordenação dos mecanismos levou a que se começasse também a estudar a sua acção de modo combinado, ou seja, com os vários mecanismos em simultâneo. Esta abordagem, apesar de não contrariar os modelos simplistas de caracterização expostos inicialmente, consegue ligar-se mais directamente às condições reais e fornecer, teoricamente, uma avaliação mais aproximada e consequentemente mais fidedigna. Hearn et al. (2001), através da interligação destas acções elementares, apresentaram cinco mecanismos de transporte no betão, sendo eles:
1. Adsorção;
2. Difusão de vapor;
3. Transferência por filme;
4. Fluxo de líquido sob condições de saturação;
5. Difusão iónica sob condições de saturação.
Para além da diferença de actuação de mecanismo, a sua caracterização global tem como elemento base as humidades relativas existentes (do ar exterior). É assim possível balizar estes fluxos de partículas em 3 estádios que serão descritos de seguida.
1º Estádio:
Para uma humidade relativa (HR) próxima de zero, nenhuma fonte externa de água será adsorvida inicialmente sobre as superfícies altamente hidrofílicas dos produtos de hidratação do cimento. De acordo com a teoria BET (denominação resultante das iniciais dos nomes Brunauer, Emmet e Teller), com 11% de HR, em todas as superfícies de hidratos, verifica-se já a existência de uma monocamada de moléculas de água (Feldman, 1989).
Com o aumento da humidade relativa do ar, a energia de adsorção superficial vai diminuindo, pois as moléculas de água de camadas posteriores encontram-se mais longe da superfície dos produtos de hidratação (Peer, 1990).
A adsorção é de extrema importância mesmo a baixas humidades, pois age como a força motriz ao longo dos poros, transmitindo o fluxo à frente do menisco de maior humidade relativa, iniciando assim o fluxo num poro seco. Este processo encontra-se esquematizado na Fig. 2.4.
Para Humidades abaixo dos 40% a 45%, é adsorvida uma fina película de moléculas de água sobre as superfícies dos poros (Fig. 2.4), no entanto o menisco capilar não poderá ser sustentado dentro dos poros (Mills, 1985).
De acordo com o esquema anterior compreende-se que a movimentação das partículas é controlada através dos mecanismos de adsorção e difusão de vapor (Hearn et al., 2006).
2º Estádio:
Estabelece-se um comportamento diferente quando a humidade relativa supera os 40 a 45%. Este incremento leva a um aumento do tamanho dos poros e à formação de meniscos capilares dentro da rede porosa. Estes meniscos formam-se no gargalo dos poros, ajustando-se em função das diferentes larguras de cada gargalo, como se ilustra na figura 2.5 (Mills, 1985).
Esta ilustração representa o mecanismo denominado por transferência por filme, e que leva à criação de um sistema tipo “curto-circuito” onde é impelido por condensação capilar (teoria de Kelvin) no lado de alta pressão (entre os meniscos formados) e por evaporação na parte inferior do lado de baixa pressão (poro capilar) (Mills, 1985 e Freitas, 1992).
Fig. 2.5 – Tranferência por filme (2º Estádio): Modelo de curto-circuito (Hearn et al., 1994)
Este tipo de transferência estabelece-se quando estamos perante pressões de vapor de 0.45 a próximas de 1, sendo processado através de difusão de vapor e tensão capilar. A passagem de humidade efectuar-se-á de uma forma rápida sem que o sistema se encontre saturado (Hearn et al., 2006).
Como aspeto elucidativo da interferência da humidade nestes mecanismos, de acordo com Aldred (2008), uma alteração da humidade relativa que implique a passagem do estádio 1 (pressão de vapor inferior a 0.45) para o estádio 2, poderá levar a que o valor do coeficiente de difusão sofra um incremento de algumas ordens de grandeza.
3º Estádio:
Quando o sistema se encontra saturado ou muito próximo da saturação (parcialmente saturado), a transferência de humidade deve-se a um escoamento, praticamente laminar (Fig. 2.6) (Hearn et al., 2006).
Deste modo, o fluxo é controlado pela viscosidade do fluido e pelo gradiente de pressão, sendo a lei de Darcy a relação directa entre este gradiente de pressão e o escoamento resultante.
Fig. 2.6 – Modelo de transporte de água no 3º Estádio (adaptado de Rose, 1965)
Na presença de um gradiente de concentração, a existência de água (no estado líquido) no interior da estrutura porosa, irá possibilitar a dissolução dos iões (Fig. 2.6). Esta movimentação de espécies dissolvidas pode ser caracterizada de acordo com as características de difusão abordadas anteriormente.
Fig. 2.7 – Modelo de transporte de iões no 3º Estádio (adaptado de Rose, 1965)
As estruturas de betão, na maior parte das situações, quando sujeitas a ambientes de exposição agressivos, apresentam água no seu estado líquido em vez de vapor. Constata-se assim que a difusão de iões é um mecanismo de transporte muito importante para a avaliação durabilidade, sendo a sua caracterização normalmente considerada como referência à determinação do grau de deterioração física e química da estrutura.
Todas as movimentações de partículas conseguem ser representadas pelos mecanismos apresentados sendo, naturalmente, uns mais eficientes e influentes que outros. A importância para adopção desta caracterização prende-se com o facto de mostrar como uma mudança de certas condições externas pode modificar drasticamente o processo de interacção e respectiva forma de movimentação (Hearn et
al., 2006).
A contínua hidratação da estrutura do betão tenderá a que o sistema poroso tenda a interromper, ou pelos menos em parte, o percurso através dos poros capilares conduzindo, aparentemente, a um aumento da capacidade do betão em contrariar a invasão dos seus espaços internos. Contudo, as acções cíclicas resultantes da exposição ou, por vezes da utilidade funcional de cada obra, provocam sucessivas entradas e saídas de partículas que podem conduzir a alterações para além do processo de
