ANÁLISE DA SUBSTITUIÇÃO PARCIAL DO CIMENTO PORTLAND POR MICRO SÍLICA NA PRODUÇÃO DE CONCRETO.

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ANÁLISE DA SUBSTITUIÇÃO PARCIAL DO CIMENTO PORTLAND POR MICRO SÍLICA NA PRODUÇÃO DE CONCRETO.

Ilg P. D. Silva¹, Profª. Drª. Erica N. de M. G. Pinto²

¹ Aluno de Engenharia Civil UFERSA-Caraúbas

²Professora e Orientadora de Engenharia Civil UFERSA-Caraúbas

Resumo: O avanço do desenvolvimento tecnológico no setor da construção civil está sempre relacionado ao uso de materiais de qualidade, que permitam aumentar a durabilidade das estruturas e que sejam de fácil trabalhabilidade. Tais estruturas são expostas a diversos meios que podem acarretar em sua deterioração prematura. Esta situação está muitas vezes relacionada a sua vulnerabilidade às influências ambientais em que se encontram. Neste contexto, o presente trabalho visa analisar o uso de sílica ativa, como material pozolânico, com o intuito de alcançar um concreto de qualidade e que possa reduzir também o consumo do cimento Portland. A metodologia experimental foi dividida em duas etapas: na primeira etapa, foi feito um estudo das propriedades dos agregados e a segunda, foram confeccionadas misturas de concreto com substituição de cimento Portland nas proporções de 20%, 30% e 40%. Os resultados indicam que o traço contendo 20% de micro sílica destacou-se por apresentar um relativo aumento de resistência quando comparado com o concreto referencial (0%). A partir desses resultados, conclui-se que a micro sílica pode ser um material alternativo a ser usado.

Palavras-chave: Construção civil. Durabilidade. Pozolana.

Abstract: The advancement of technological development in the construction industry is always related to the use of quality materials, for increasing the durability of structures and that has easy workability. In this context, the present work aims at analyzing the use of active silica in various proportions with the purpose of achieving a quality concrete and that can also reduce the consumption of Portland cement. The experimental methodology was divided into two stages: at first stage, it was made a study of the aggregates properties, and the second, concrete mixtures with substitution were confectioned in the proportions of substitution of cement Portland in 20%, 30% and 40%. The results indicate that the trace containing 20% of microsilica stood out for presenting an equality of resistance. From these results, it is concluded that the micro silica may be an alternate material to use.

Keywords: Construction industry. Durability. Pozzolan.

1. INTRODUÇÃO

O concreto, como material construtivo, tem sido usado na indústria da construção há cerca de dois séculos. O mesmo é um dos materiais de construção mais amplamente utilizados e sua composição consome quase a produção total de cimento no mundo. Este material por sua vez, pode apresentar algumas adições que são divididas em duas principais categorias: os naturais, como tufo vulcânico e zeólita; e as artificiais como cinzas volantes, escória, sílica ativa e metacaulim. De acordo com Li et al. 2018 [1], devido à reatividade pozolânica dessas adições, ocorre uma melhoria efetiva em sua microestrutura, além de uma melhora em suas propriedades mecânicas e durabilidade do concreto. Entre eles, aqueles que são mais finos do que o cimento, como a sílica ativa, que também é chamada micro sílica (MS), são particularmente mais eficazes, não só por causa da sua grande área de superfície que os torna altamente reativos, mas também por causa de seu tamanho fino que lhes permite preencher os vazios entre materiais de cimento para aumentar a densidade de compactação [2].

A sílica ativa é um pó recuperado do gás produzido pela sílica e pela fundição de ferrosilício. Suas partículas chegam a ser cerca de 50 a 100 vezes menores que as partículas de cimento com porcentagens de até 80% de SIO2, o que lhe proporciona uma característica pozolânica. Grande número de pesquisas e práticas experimentais indicam que ao misturar um pouco deste material ao concreto pode melhorar as propriedades mecânicas, dinâmicas e físicas de forma eficaz. Além disso, pode suprimir a demanda de materiais para construções especiais que necessitam de concretos mais resistentes capazes de resistir em ambientes te alto ataque químico-físico [3].

Quando as estruturas de concreto são expostas à ambientes com agentes agressivos como ambientes marinhos e locais com elevado nível de acidez, seu desempenho torna-se inferior, causando danos. A utilização de nanotecnologia tem imenso potencial e habilidades para controlar esses materiais, incluindo materiais à base de cimento [4]. No Brasil e em volta do mundo o uso de concreto de alto desempenho (CAD) que fazem uso de adição nanopartículas é crescente. Para Santos 2017 [5], desde a publicação da Norma de Desempenho (ABNT NBR 15575:2013) [6] os chamados concreto de alto desempenho vêm ampliando seu mercado no Brasil, ainda que

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timidamente. A disponibilidade comercial de concreto de alta resistência proporcionou uma alternativa econômica para produções volumosas de concreto por reduzirem o consumo de cimento e sua relação água/cimento.

O presente trabalho visa fazer o uso de micro sílica em misturas de concreto, fazendo substituições em diferentes porcentagens de cimento, com o intuito de encontrar uma melhor mistura para um material que possa ser utilizado em regiões de alta agressividade.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

A metodologia utilizada nesse trabalho é uma metodologia experimental e comparativa, com o objetivo de avaliar a melhor porcentagem de substituição do aglomerante (cimento Portland) pela micro sílica na produção de concreto.

Nesse capitulo serão apresentados todos os materiais utilizados para a produção do concreto, tantos seus procedimentos de produção como os ensaios necessários para avaliar as propriedades desse novo concreto produzido.

2.1. Materiais

Para confecção do concreto foram utilizados cimento, micro sílica, areia, brita e água. Sendo que o cimento utilizado na produção do concreto foi o cimento Portland composto: CP II-Z-32-RS, fabricado pela Cimento Apodi.

A micro sílica utilizada no presente estudo está de acordo com a IS 15388:2003[7]. Sua estrutura é extremamente fina na forma de pó de cor cinza a imagem 1 faz uma ilustração de sua granulometria quando comparada ao cimento Portland podendo observar que suas partículas apresentam uma granulometria menor. A tabela 1 faz uma ilustração da representação da composição química desse material quando comparada também, à composição do cimento Portland, mostrando que sua porcentagem de SiO2 é relativamente alta quando comparada ao outro aglomerante, ressaltando que materiais com Si e Al na presença de água reagem com o hidróxido de cálcio do cimento e produzem material cimentício (ligante) silicato de cálcio.

Imagem 1 – Gráfico Granulométrico micro sílica x cimento

Fonte: Li et al. (2018)

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Tabela 1 - – Composição química da sílica ativa e do cimento Portland (%)

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO TiO2 P2O5 Na2O K2O MnO LOI Sílica Ativa 94,7 0,24 0,07 0,97 1,29 0,03 0,09 0,22 0,72 0,02 2,81

Cimento

Portland 19,6 4,77 3,05 61,4 2,23 0,25 0,117 0,32 0,96 0,05 5,38

Fonte: D.c.s. et al. (2014)[8]

O agregado miúdo é a areia natural quartzosa utilizada é proveniente do leito de um rio municipal, localizado na cidade de Caraúbas-RN, e foi depositada no laboratório de construção na UFERSA, Caraúbas, RN. Que apresenta uma curva granulométrica bem distribuída, conforme figura 1, e diâmetro máximo característicos de 4,8mm [9]. Além disso, a massa específica é de 2.577,32 kg/m³ [10] e o índice de absorção de água é igual a 6%

[11].

Gráfico 1 - Curva granulométrica da areia

Fonte: Rocha (2017)

O agregado graúdo utilizado foi a brita granítica. Ela foi definida como brita granítica 1 (9,5 mm a 19 mm) de acordo com a classificação NBR 7211 (ABNT, 2009) [12]. O agregado foi obtido de um único lote proveniente da Pedreira Potiguar localizada na cidade de Caraúbas – RN. A massa específica da brita é de 2.570,00 kg/m³ [13].

E, a água utilizada na produção das amostras foi proveniente da empresa concessionaria de água da região (CAERN).

2.2. Métodos

Os ensaios se dividiram em três etapas distintas, com o intuito de fazer uma análise detalhada do concreto.

Dessa forma, no primeiro momento houve a definição do traço para trabalho. Em seguida, houve ensaios referentes às propriedades do concreto no estado fresco com o uso do slump test. Por último, com o concreto em estado endurecido realizou-se um ensaio de compressão.

2.2.1. Determinação do traço

De acordo com Mehta e Monteiro 1994 [14], o objetivo amplo da dosagem do concreto pode ser expresso pela a escolha dos materiais adequados entre aqueles disponíveis e a determinação da combinação mais econômica destes que produza um concreto que atenda características de desempenho mínimo estabelecidas. A determinação do traço de concreto foi embasada na monografia de Guilherme Lopes da Rocha, 2017 [15] que fez uso do método de dosagem ABCP, para chegar a um traço satisfatório de concreto ( 1:1:3 ½:0,30 ) como mostra na tabela 2. A partir do traço referencial foi definida a utilização de três traços experimentais, com substituições de 20%, 30% e 40% do cimento por micro sílica, onde adotou-se as nomenclaturas CP0, CP20, CP30 E CP40 respectivamente para cada substituição.

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Tabela 2 Traço utilizado para produção do concreto

Fonte: Determinação dos traços de concreto, (autoria própria)

2.2.2. Ensaio de abatimento do tronco do cone

Esse ensaio é baseado na norma NM 67 (ABNT, 1998) [16] e tem o objetivo determinar a consistência do concreto fresco através da medida de seu assentamento, em laboratório e obra. O ensaio é realizado logo após a mistura do traço do concreto na betoneira.

2.2.3 Ensaio de resistência a compressão

Para a realização do ensaio de resistência à compressão foram moldados os corpos de provas, onde os mesmos foram submetidos ao processo de cura por imersão, em tanque com água, permanecendo armazenados até o momento do ensaio, para as idades de 7 e 28 dias. Os corpos de prova foram rompidos conforme a NBR 5739 (ABNT, 2007) [17] (Concreto – Ensaio de compressão de corpos de prova cilíndricos).

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES 3.1. Determinação do traço

Os teores de substituição do cimento pela micro sílica, em massa, adotados na pesquisa foram de 20%, 30% e 40%, e de acordo com a nomenclatura são representados respectivamente por CP0, CP20, CP30 e C40. A partir do traço escolhido como base nesse trabalho, foi fixado a quantidade de todos agregados assim como seu aglomerante, os valores da quantidade de cada material em massa, da mistura de concreto, são apresentados na tabela 3.

Tabela 3: Quantidade dos materiais para dosagem do concreto

Cimento Areia Micro sílica Brita Água

Quantidade de materiais em Kg

3,39 5,75 - 5,30 1,61

20% Micro sílica em kg

2,62 5,75 0,774 5,30 1,61

2,40 5,75 0,987 5,30 1,61

2,03 5,75 1,356 5,30 1,61

Fonte: Determinação dos traços de concreto, (autoria própria)

3.2. Ensaio de abatimento do tronco do cone

Os índices de consistência do concreto que foram obtidos nos traços realizados para a produção dos corpos de provas estão descritos segundo gráfico 3. As imagens 2-5 mostram o resultado obtido em laboratório.

Traço: (20 Mpa) aos 28 dias de idade Composição para três corpos de prova em Kg

Brita 1 5,30 kilos

Areia (seca) 5,75 kilos

Cimento 3,39 kilos

Água 1,61 kilos

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Gráfico 3: Índices de consistência do traço de concreto

Fonte: Ensaio de consistência, (autoria própria)

Imagem 2-5: Slump teste dos corpos de prova

2) CP0 3) CP20

4) CP30 5) CP40 Fonte: Ensaio de consistência, (autoria própria)

Com base nesses resultados pode-se observar que conforme a porcentagem de micro sílica era aumentada no concreto a fluidez da mistura reduzia gradativamente, isso ocorre, pois, como os tamanhos das partículas de micro sílica são muito menores quando comparadas as partículas de cimento a sua superfície de contato com à agua é ainda maior necessitando uma quantidade maior da mesma para que possa envolver as partículas possibilitando que o efeito pozolânico ocorra e a pasta de concreto seja formado.

175 160

110

60 0

50 100 150 200

CP0 CP20 CP30 CP40

Abatimento (mm)

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3.3. Ensaio de resistência a compressão

Os corpos de prova após confeccionados foram submersos em água até chegar o dia para os ensaios de resistência à compressão. O rompimento dos mesmos ocorreu com 7 e 28 dias de idade. O gráfico 4 apresenta os resultados médios obtidos nas idades de 7 e 28 dias respectivamente destes ensaios. Para que possa ser analisado a deformabilidade dos corpos de prova rompidos a imagem 6-9 mostra os gráficos de tensão x deformação das amostras rompidas com 28 dias.

Gráfico 4: Resistência à compressão aos 7 e 28 dias

Fonte: Ensaio de resistência à compressão, (autoria própria)

Imagem 6: Relação tensão x deformação (mm) aos 28 dias (CP0)

Fonte: Diagrama tensão x deformação, (autoria própria)

15,03 14,95

10,36

6,16

20,6 22,46

18,96

17,72

0 5 10 15 20 25

0% 20% 30% 40%

Resistencia à compressão(MPa)

7 Dias 28 Dias

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Com os valores obtidos pode-se observar que o concreto CP20 que corresponde à 20% de micro sílica apresentou uma melhor resistência a compressão do que o concreto CP0 que corresponde à 100% de cimento aos 28 dias. O aumento da resistência com 20% deve-se ao tamanho das partículas que possibilita um melhor preenchimento dos vazios tornando o concreto mais denso e resistente, e também a grande porcentagem pozolanas (Si ou Al) em sua composição produzindo um aglomerante mais ligante. Sua redução de resistência com o aumento da porcentagem de sílica pode ser ocasionada devido a perca de sua trabalhabilidade quando em estado de pasta dificultando a mobilidade do material e sua moldagem.

Através dos diagramas de tensão x deformação dos corpos de prova pode se obter uma melhor analise do comportamento desses materiais. Pode-se observar que o concreto contendo 20% de micro sílica apresenta uma maior possibilidade de deformação até seu rompimento quando comparado com o concreto referência o que comprova seu efeito filler na mistura uma vez que torna o material mais coeso.

4. CONCLUSÃO

Como pode se observar nos ensaios realizados a micro sílica apresentou um bom comportamento com uma porcentagem de 20%, suas pequenas partículas e suas propriedades pozolânicas proporcionaram um concreto mais compacto e resistente, reduzindo, no entanto, conforme o aumento de sua proporção à fluidez do concreto provindo da maior necessidade de água de suas partículas. Dessa forma, o mesmo pode ser aplicado como forma de aditivo ao concreto chegando a uma substituição de até 20% do cimento, gerando uma redução no consumo do mesmo e uma melhoria de suas propriedades de resistência a compressão.

5. REFERÊNCIAS

[1] LI, L.g. et al. Combined usage of micro-silica and nano-silica in concrete: SP demand, cementing efficiencies and synergistic effect. 168. ed. Hong Kong: Elsevier, 2018. 622-632.

[2] P.L. Ng, A.K.H. Kwan, L.G. Li, Packing and film thickness theories for the mix design of high-performance concrete, J. Zhejiang Univ. Sc. A 17 (10), 2016. 759–781.

[3] Ding Ling,Wanglihai. Research on compression strength of silica fume. Journal of Natural Science of Heilongjiang University, 2007. 336-339.

[4] PATTALI, Amritha; MATHEW, Biju. An Experimental Investigation on Strength Properties of Concrete Containing Micro-Silica and Nano- Silica. International Research Journal Of Engineering And Technology:

IRJET. Kerala, p. 1692-1694. jun. 2017.

[5] SANTOS, Altair. Concreto de alto desempenho se solidifica no Brasil. 2017. Disponível em:

<http://www.cimentoitambe.com.br>. Acesso em: 11 dez. 2017.

[6] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 15575-5 - Edificações habitacionais -Desempenho. Rio de Janeiro, 2013.

[7] IS 15388:2003 “Specification for Silica Fume.”

[8] D.c.s. et al. ANÁLISE DA MICROESTRUTURA DE PASTAS DE CIMENTO PORTLAND COM SÍLICA ATIVA UTILIZANDO MICROSCOPIA ÓTICA E ELETRÔNICA. - Congresso Brasileiro de [9] Engenharia e Ciência dos Materiais: CBECIMAT. Cuiabá, p. 1197-1203. Nov. 2014.

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 7217 - Agrega-dos – Determinação da composição granulométrica. Rio de Janeiro, 1987.

[9] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 9776 - Agrega-dos – Determinação da massa específica de agregados miúdos por meio do frasco Chapman. Rio de Janeiro, 1987.

[10] DEPARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS DE RODAGEM. Norma Rodoviária DNER-ME 052/94 - Solos e agregados miúdos – determinação da umidade com emprego do “Speedy”. 1994.

[11] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 7211 - Agrega-dos para concreto – Especificação. Rio de Janeiro, 2005.

[12] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR NM 53 - Agre-gado graúdo – Determinação de massa específica, massa específica aparente e absorção de água. Rio de Janeiro, 2003.

[13] MEHTA, P. K.; MONTEIRO, P. J. M. Concreto: estrutura, propriedades e materiais. São Paulo: Pini, 1994.

[14] ROCHA, Guilherme Lopes da. ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA FORMA DO AGREGADO GRAÚDO NA RESISTÊNCIA MECÂNICA DO CONCRETO. 2017. 91 f. TCC (Graduação) - Curso de Bacharelado em Ciências e Tecnologia, Universidade Federal Rural do Semi- Árido, Caraúbas, 2017.

[15] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR NM 67 - Abati-mento do tronco de cone. Rio de Janeiro, 1998.

[16] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 5739 - Concreto - Ensaio de compressão de corpos de prova cilíndricos. Rio de Janeiro, 2007.

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