FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SÃO PAULO
DEPARTAMENTO DE EDIFÍCIOS
RELATÓRIO FINAL DO PROJETO DE PESQUISA:
CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO COM AREIA ARTIFICIAL DE GRANITO.
5º TRIÊNIO – PERÍODO 01/06/2007 A 31/05/2010
DISCIPLINA: MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO CIVIL
Professor Pleno, Mestre Paulo Hidemitsu Ishikawa
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO... 3
1.1. Objetivo ... 4
1.2. Justificativa ... 5
1.3. Estrutura do trabalho ... 8
2. AGLOMERANTES E ADIÇÕES MINERAIS ... 10
2.1. Cimento Portland ... 10 2.2. Sílica ativa ... 18 3. AGREGADOS ... 25 3.1. Características gerais ... 25 4. ADITIVOS ... 38 4.1. Aditivo plastificante ... 38 4.2. Aditivo superplastificante ... 41
4.3. Teor de saturação do aditivo superplastificante com a fôrma tronco-cônica ou funil de Marsh ... 48
5. CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO ... 51
5.1. Aditivos ... 54
5.2. Sílica ativa ... 56
5.3. Resistência à compressão simples ... 59
6. PROGRAMA EXPERIMENTAL ... 60
6.1. Caracterização dos materiais ... 60
6.2. Aditivo plastificante ... 55
6.3. Concreto de alto desempenho – Características estudadas ... 55
7. RESULTADOS OBTIDOS E ANÁLISE DOS RESULTADOS ... 57
7.1. Propriedades do concreto no estado fresco ... 57
7.2. Propriedades do concreto no estado endurecido ... 60
8. CONCLUSÃO ... 76
9. TRABALHOS FUTUROS ... 77
1. INTRODUÇÃO
Os finos gerados na britagem de rocha, denominados de areia artificial de rocha, são materiais ainda pouco utilizados na produção de argamassas. Talvez, a sua pouca utilização deve-se a maior oferta de areia de rio disponível em todas as lojas de materiais de construção. A areia artificial foi recentemente incluída como agregado miúdo para concreto na NBR 7211 (ABNT, 2005). Os setores da construção civil que consomem a areia artificial são as fábricas de pré-moldados de blocos de concreto para alvenaria e na pavimentação de ruas e rodovias, como camada de sub – base, na produção de concreto asfáltico e, ultimamente, na produção de concreto.
O material residual gerado na produção de agregado graúdo por britagem de rocha é geralmente denominado no mercado de pó de pedra. Esta terminologia não é adequada a este material, pois a sua composição granulométrica apresenta dimensão de grãos retidos em todas as peneiras da série normal, a partir de 4,8 mm e até, a grãos com dimensão inferior a 150 m. Desta forma, este material é classificado como agregado miúdo, originado pela cominuição de rocha, ou agregado miúdo de pedra britada. Em tecnologia de concreto é denominado como areia de brita ou areia artificial de rocha. A NBR 7225 (ABNT, 1987c) define pó-de-pedra como “material proveniente do britamento de pó-de-pedra, de dimensão nominal máxima inferior a 0,075 mm”. O agregado miúdo originado de britagem de rocha é definido pela NBR-9935 (ABNT, 1987d) como areia artificial. Portanto, neste trabalho o agregado miúdo originado de britagem de rocha será denominado apenas de areia artificial, muito embora seja recomendável explicitar o material que lhe deu origem, no caso, areia artificial de rocha, quando se tratar de citações em outros documentos.
A areia artificial, como os demais produtos da britagem de rocha, é estocada em montes ao ar livre, exposto às intempéries, gerando uma série de impactos ao ambiente, como poluição atmosférica. Quando não armazenado, apropriadamente, a água da chuva carreia o material provocando assoreamento
de leitos de cursos d’água e drenagem. Com o aumento do consumo do areia artificial pode-se diminuir a poluição ambiental com a diminuição do estoque. Como as jazidas de areias de rio estão ficando cada vez mais distante da RMSP, que é o grande centro consumidor deste material, o transporte tende a ficar cada vez mais oneroso para o distribuidor e, em consequência, para o consumidor final.
Ao redor e dentro da grande São Paulo existe várias pedreiras que produzem a areia artificial. Este material é produzido indiretamente, ou seja, é separado como resíduo da britagem da rocha na produção de pedra britada. Atualmente já existe uma pedreira na cidade de Mogi das Cruzes aperfeiçoando o processo de obtenção da areia artificial por meio de beneficiamento da areia artificial original
Neste sentido, para avaliar o uso deste material, este trabalho apresenta o desempenho do agregado miúdo de areia artificial de granito na produção de argamassa, especificamente para revestimento de alvenaria. Com a realização de ensaios, procurou-se observar a utilização da areia artificial, sem descarte de finos abaixo de 0,075 mm, como material alternativo à areia de rio ou de cava.
1.1. Objetivo
Este trabalho teve como objetivo avaliar as propriedades, no estado fresco e endurecido, de concretos de alto desempenho (CAD) produzidas com areia artificial em comparação aos concretos produzidos com areia natural de rio.
Na construção civil, a areia artificial de rocha é mais utilizada em obras de pavimentação de rodovias misturada com agregado graúdo e argila, e conhecida como brita graduada, e também como agregado miúdo para concreto asfáltico. Tem se observado que algumas usinas de concreto usam a areia artificial misturada com areia de rio para compor o agregado miúdo na mistura do concreto. A areia artificial é consumida também pelas fábricas de pré-moldados, na produção de blocos de concreto simples para alvenaria, e tubos de concreto para águas pluviais e esgoto.
Nas obras de edificações a areia artificial é pouco utilizada. É conhecida também como “pó de pedra”, e talvez devido a este termo o material não é tão utilizado na construção civil. O termo pó-de-pedra pode ser associado a materiais pulverulentos ou fíler, isto é, material com tamanho dos grãos menores que 0,075 mm, conforme a NBR-7225 (ABNT, 1987c).
No sentido de ampliar a utilização das areias artificiais, o trabalho desenvolvido apresenta as propriedades dos concretos comparando-as entre os diferentes traços com relação água/ cimento inferior a 0,38. Para tanto, foram realizados ensaios em concretos no estado fresco: determinação da consistência, e massa específica. No estado endurecido, foram realizados ensaios de determinação da resistência à compressão simples, resistência de tração à compressão diametral, módulo de elasticidade, absorção de água por capilaridade e absorção por imersão e fervura, índice de vazios e massa específica utilizando-se as metodologias de ensaios da ABNT.
A amostra de areia artificial de granito foi coletada na pedreira instalada no bairro de Perus na cidade de São Paulo e a amostra de areia natural de rio é da cidade de Caçapava, no Vale do Paraíba, estado de São Paulo.
1.2. Justificativa
Nas pedreiras, observa-se o monte de areia artificial separado dos outros montes de diversos tamanhos de agregado graúdo. A areia artificial é um material que se acumula como resíduo oriundo da cominuição da rocha durante as várias etapas de britagem. Numa observação tato-visual constata-se que esse material compõe-se de vários tamanhos de partículas como os grãos de areia. A diferença visível que se observa é em relação à forma do grão, por apresentar-se mais anguloso e existir uma fração maior de pó (fíler). Esta constatação motivou esta pesquisa, utilizando-se este material para produção de argamassa para revestimento de alvenaria. A pedra britada é um dos agregados que compõem a mistura de concreto. Assim, a produção de pedra britada é fundamental para a construção civil, visto que o concreto é um dos materiais mais consumidos no
mundo, depois da água (MEHTA e MONTEIRO 2008). Portanto, na produção da pedra sempre há formação do resíduo fino ou areia artificial mantida as técnicas atuais de produção.
O levantamento bibliográfico revela a existência de vários trabalhos com a utilização dos resíduos finos de pedra britada ou areia artificial, como foi denominado este material neste trabalho. Os trabalhos apresentados indicam o bom desempenho da aplicação da areia artificial em argamassas (O USO DA
FRAÇÃO FINA DE BRITAGEM – SEMINÁRIO, 2005). Na produção de concreto
também existem vários trabalhos utilizando a areia artificial como agregado miúdo (SBRIGHI NETO, 1986); (KREMPEL; CREVILARO e PAULON, 1992); (BONAVETTI e CABRERA, 1930); (ISA e HELENE, 1999); (CELIK e MARAR,
1996); (BAUER; TAKASHIMA e CURTI, 1998); (SALLES et al., 1998); (PAES et al. 1999); (CABRERA e DONZA, 1999); (NEVES, 2001).
A atividade extrativa de agregados é de fundamental importância para a indústria da construção civil. Mas, devido à localização das jazidas próximas a centros urbanos, existe uma fiscalização intensa por parte de prefeituras e órgãos de controle ambiental por ser uma atividade poluidora e de devastação ambiental. Além disso, as regiões próximas às jazidas ficam expostas ao ruído, emissões de partículas, estremecimentos, avaria das vias carroçáveis pelos veículos pesados com carga máxima de agregados, poluição visual e outras. Na RMSP as jazidas de areia natural foram esterilizadas por loteamentos residenciais e industriais legais e clandestinos (VALVERDE, 2001).
Um outro dado importante é que cerca de 85% das areias naturais consumidas na RMSP são importadas de regiões com mais de 120 km de distância, onde estão localizadas as grandes bacias areeiras como o Vale do Paraíba, Sorocaba e Vale do Ribeira (SOARES et al., 1997). Assim, a utilização da areia artificial em substituição total ou parcial às areias de rio na produção de argamassas é viável em termos tecnológicos e econômicos, pois existem várias pedreiras em operação na RMSP. O valor do transporte corresponde a, aproximadamente, 2/3 do preço final do produto. A areia artificial tornou-se
competitiva devido às pedreiras estar próximas da RMSP a, aproximadamente, 35 km do centro da cidade de São Paulo (VALVERDE, 2001).
Um gráfico das vendas anais de pedra britada na RMSP é apresentado a seguir (Figura 1). Para o ano de 2009 o consumo indicado é uma estimativa (SINDIPEDRAS, 2009).
Figura 1 – Vendas anuais de pedra britada na RMSP (SINDIPEDRAS, 2009)
Em geral, o volume ocupado pelo agregado é de 60% a 80% do volume total da mistura de argamassa. Portanto, a participação do agregado na mistura é significativa, tanto economicamente como tecnologicamente. Assim, por analogia, a substituição parcial ou total da areia de rio por areia artificial é importante em termos econômicos e tecnológicos pela proximidade do material do centro de maior consumo, a RMSP. Para que esse consumo aumente é necessário conhecer e divulgar as propriedades da areia artificial para os consumidores, e também as vantagens econômicas e técnicas em substituir total ou parcialmente a areia de rio pela areia artificial. Para incrementar a sua utilização aconteceu recentemente um seminário sobre a utilização da areia artificial, “O Uso da Fração Fina da Britagem” (II SUFFIB, 2005).
A areia artificial é um material considerado como resíduo. É um material que, pelas suas características, polui o ambiente quando não estocado adequadamente. Pela ação da água da chuva, o material mais fino é carreado
para os córregos ou tubulações de águas pluviais, assoreando-os e causando entupimentos. Estocado em grandes volumes, o vento carrega o material mais fino, espalhando o pó pela vizinhança da pedreira, podendo causar desconforto nas pessoas e poluindo o ambiente. E relação a outros tipos de minerais explorados, a mineração de areia e brita é a mais simples e menos problemática em termos de poluição ambiental. Na exploração não são utilizados produtos tóxicos que possam contaminar o solo e a água subterrânea. Assim, o aumento do consumo da areia artificial poderá diminuir o impacto ambiental e solucionar a sua estocagem (JOHN, 1999) (VALVERDE, 2003). Na prática, as atividades de produção e uso dos agregados naturais em áreas urbanas são realizadas sem sustentabilidade ambiental. As áreas de mineração são mal conduzidas, apresentando mudanças na topografia da região e do entorno, erradicação da vegetação, da flora e da fauna, mudança no micro clima, poluição do ar, sonora e urbana, assoreamento e poluição dos rios e, além disso, causando problemas de saúde da população local (GONÇALVES e GUERRA, 2006).
Assim, a implementação da Agenda 21 no Brasil, será um desafio maior, na adequação das empresas mineradoras em atender aos princípios de conservação e melhoria da gestão dos recursos naturais (BITAR, 1999).
No âmbito da legislação a Resolução CONAMA nº 307 tem por objetivo estabelecer as diretrizes, critérios e procedimentos para a gestão dos resíduos da construção civil, disciplinando as ações necessárias de forma a minimizar os impactos ambientais.
Pelo exposto, este trabalho poderá contribuir para incrementar o consumo da areia artificial na produção de argamassas e concretos, em bases tecnológicas e econômicas, e com isso diminuir o impacto ambiental que este material pode causar.
1.3. Estrutura do trabalho
Este trabalho foi dividido em dez capítulos. O primeiro é esta introdução, que aborda a utilização da areia artificial de rocha na produção de argamassas e
outros produtos para construção civil, sua participação no mercado em relação à areia de rio, e apresenta também o objetivo da utilização da areia artificial na produção das argamassas e concretos.
No Capítulo 2 foi realizada uma revisão bibliográfica sobre os aglomerantes minerais, cimento Portland, suas propriedades químicas e físicas e as influências exercidas nas argamassas e concretos.
O capítulo 3 tratou do tema agregados em que são descritas as características geométricas, físicas e sua influência sobre os concretos.
No capítulo 4 foram descritas as propriedades dos aditivos plastificantes e superplastificantes e sua influência nos concretos.
Em seguida, no capítulo 5, foram discutidos os concretos de alto desempenho: sua definição, seus materiais constituintes, a influência destes constituintes nos concretos, o seu comportamento físico no estado fresco e no endurecido, e a sua dosagem.
Na continuidade do trabalho, o capítulo 6 descreve o programa experimental realizado na pesquisa. Neste programa experimental são apresentados os materiais e os métodos de ensaios utilizados para realização dos ensaios.
Os resultados dos ensaios são apresentados no capítulo 7. Nele constam os resultados de ensaios de caracterização física dos materiais utilizados nos concretos, os ensaios realizados em concretos no estado fresco e endurecido e a análise dos resultados obtidos.
No capítulo 8 é apresentado a conclusão do trabalho, indicando a viabilidade do uso da areia artificial sem descarte dos finos passantes na peneira de 0,075 mm, sendo esta uma vantagem econômica.
O capítulo 9 é apresentado o trabalho futuro utilizando a areia artificial na produção de concreto auto-adensável.
2. AGLOMERANTES E ADIÇÕES MINERAIS
2.1. Cimento Portland
O cimento Portland é um aglomerante hidráulico, resultante da moagem do clínquer Portland com adições de gipsita, com ou sem adições minerais de material carbonático ou cinza volante ou escória granulada de alto-forno. O clínquer é um produto da sinterização do minério de calcário e argila à temperatura de, aproximadamente, 1450 o C. A adição de gipsita, junto com a moagem do clínquer na produção do cimento Portland, é obrigatória para todos os tipos de cimento para regular a pega. As demais adições, isoladamente, irão caracterizar os diversos tipos de cimento Portland produzidos no Brasil, os quais estão citados no item 2.1.2.
Os principais compostos químicos do cimento Portland são C3S (silicato tricálcico), C2S (silicato bicálcico), C3A (aluminato tricálcico) e C4AF (ferro aluminato tetracálcico). A composição quantitativa de cada um destes compostos químicos varia, aproximadamente, de 45 a 60%, 15 a 30%, 6 a 12% e 6 a 8%, respectivamente.
A característica de um cimento hidráulico se dá pela reação dos produtos de hidratação em meio aquoso. O cimento Portland é um cimento hidráulico que consiste basicamente de sílicatos de cálcio reativos com a água formando os silicatos de cálcio hidratados que são os principais responsáveis pela resistência mecânica das argamassas e concretos.
2.1.1. Fabricação
Argilas e xistos argilosos são os materiais preferenciais como fontes suplementares de sílica para formação dos silicatos de cálcio quando fundidos com o CaCO3.MgO3. As argilas também são fontes de alumina (Al2O3), óxido de
ferro (Fe2O3) e álcalis. Estes compostos minerais, (Al2O3), (Fe2O3) e álcalis, são necessários para um efeito mineralizante na produção de silicatos de cálcio a temperaturas consideravelmente mais baixas (MEHTA e MONTEIRO, 2008).
O calcário, CaCO3, é a principal matéria prima. Após moagem e homogeneização com a argila é conduzido ao forno. No forno, à temperatura entre 850 oC e 950 oC, o calcário se dissocia e libera CO2 para o ambiente, formando o óxido de cálcio, CaO, que irá combinar-se com os óxidos dos minerais presentes na argila, até à temperatura máxima de 1450 oC. Este processo denomina-se calcinação. Após a calcinação, o produto sofre um resfriamento brusco até a temperatura aproximada de 150 oC, formando pelotas denominadas de clínquer. O resfriamento brusco propicia a formação desordenada dos cristais dos compostos do cimento. A forma desordenada dos cristais é que torna os compostos altamente reativos com a água, além de fatores como o tamanho da partícula e temperatura de hidratação. Os materiais introduzidos no forno ficam submetidos a altas temperaturas e em condições de não equilíbrio e com uma variedade de íons metálica presentes, formando as estruturas cristalinas dos compostos do cimento que não são perfeitas. As imperfeições estruturais explicam a instabilidade dos compostos do cimento em meio aquoso. Com moagem do clínquer e adição de, aproximadamente, 4% gipsita obtém-se o cimento Portland. A adição da gipsita é necessária para controlar o tempo de pega do cimento, ou seja, o tempo de início das reações químicas dos compostos do cimento com a água (NEVILLE, 1997).
2.1.2. Adições introduzidas na moagem do clínquer Portland
Os cimentos, no Brasil, são classificados conforme as adições introduzidas junto com a moagem do clínquer. Essas adições são as escórias de alto forno, a pozolana e o calcário moído. As adições têm por finalidade baratear o custo do cimento, visto que o clínquer moído é o material mais caro pela quantidade de energia necessária à sua produção. Desta forma, conforme os tipos de material adicionado à moagem do clínquer têm os vários tipos de cimento Portland.
A escória granulada de alto forno é um material residual da produção do ferro gusa, e que é composto, em sua maior parte, de silicatos e aluminossilicatos de cálcio, (ABNT 1991c). O material pozolânico adicionado ao clínquer Portland é material silicoso ou silicoaluminoso que por si só possuem pouca ou nenhuma atividade aglomerante, mas quando finamente moídos reagem com hidróxido de cálcio, remanescente das reações dos compostos do cimento Portland em presença de água, formando novos compostos cimentícios.
As pozolanas podem ser naturais, de origem vulcânica, ou artificiais originadas de tratamento térmico ou subprodutos industriais com atividade pozolânica. Determinadas argilas, quando calcinadas a temperaturas entre 500 oC e 900 oC, adquirem propriedades pozolânicas, isto é, reagem com o hidróxido de cálcio (ABNT, 1991d).
O calcário moído, oriundo da britagem do calcário na produção do cimento, é adicionado à moagem do clínquer numa quantidade pequena de no máximo de 5%. A sua atuação nas reações químicas de hidratação dos compostos químicos não é conhecida. Assim, a sua adição na moagem do clinquer Portland atua como uma carga inerte na sua massa final.
Os diferentes tipos de cimento influem nas propriedades das argamassas e concretos devido às suas características individuais.
2.1.3. Hidratação do cimento Portland
As reações químicas dos compostos do cimento Portland com água formam diversos produtos hidratados. Os silicatos de cálcio reagem com a água e formam o hidróxido de cálcio e silicatos de cálcio hidratado, e os aluminatos e ferroaluminatos reagem com o sulfato de cálcio para formar os sulfoaluminatos.
A hidratação do cimento Portland é um processo químico complexo de dissolução-precipitação, onde as reações de hidratação acontecem simultaneamente, interferindo umas sobre as outras, em diferentes velocidades. Em meio a estas reações ocorre a reação do sulfato de cálcio interferindo no tempo de pega do cimento. As reações químicas do cimento com a água
iniciam-se de imediato. As reações por dissolução ocorrem por troca iônica entre os compostos do cimento e a água, com concentração de aluminatos de cálcio, sulfatos e álcalis em meio aquoso ou fase líquida. Estas reações são exotérmicas, com grande liberação de calor, quando são formados os primeiros produtos hidratados, seguida de uma rápida diminuição da taxa do desenvolvimento de calor. Os produtos hidratados formados são de difícil caracterização morfológica. A fase seguinte é caracterizada pela diminuição da velocidade das reações com a conseqüente diminuição do desenvolvimento de calor de hidratação. Essa desaceleração deve-se à difusão dos íons e deposição de produtos hidratados nos poros. As reações continuam principalmente da alita, em havendo material anidro e espaço disponível. Esses produtos hidratados adicionais irão se depositar nos espaços dos poros e os cristais hexagonais de CH envolvem parte do C-S-H formado anteriormente. Grande parte dos compostos do cimento reage com a água nos primeiros dias, mas a cinética dessas reações é diferente. Elas dependem de vários fatores como a fabricação, a finura e o ambiente a que está exposto, principalmente da fase líquida, que influenciam a fase de dissolução, quando ocorrem as primeiras reações ou a troca iônica entre os sólidos e a fase líquida. A seqüência das velocidades das reações pode ser descritas na seguinte ordem, aproximadamente, C3A C3S C4AF C2S. A temperatura de hidratação também influi na velocidade das reações. Geralmente, o aumento da temperatura acelera a velocidade inicial de hidratação do cimento, mas os graus de hidratação e o desenvolvimento de resistência mecânica nas idades avançadas, geralmente, são menores. A formação do C-S-H (silicato de cálcio hidratado) é a responsável pelo desenvolvimento da resistência mecânica e durabilidade das argamassas e concretos. (CAMARINI, 1995).
No jargão da química do cimento Portland os compostos químicos C3S e C2S, devido as suas impurezas, são denominadas também de alita e belita, respectivamente. A forma geométrica da alita e belita pode ser observada na Figura 2.1.
Figura 2.1 - Microscopia de clinquer com a identificação dos compostos do cimento Portland, sendo A = alita (C3S), B = belita (C2S) e F = fase intersticial (C3A e C4AF), (Foto 5 do curso de
microscopia da ABCP)
A dinâmica da hidratação do cimento Portland pode ser explicada, resumidamente, por dois estágios diferentes conforme a seguir:
Dissolução e precipitação que representa pela dissolução dos compostos anidros e seus constituintes iônicos, formando os hidratos na solução. Devido a sua baixa solubilidade ocorre a precipitação em solução supersaturada, sendo esta o estágio inicial.
Topoquímico ou hidratação na fase sólida representada pela restrição da mobilidade iônica. A hidratação dos compostos de hidratação continua no estado sólido por difusão iônica e estas reações acontecem na superfície do grão anidro do cimento.
As reações químicas dos produtos de hidratação do cimento Portland ocorrem simultaneamente e se interagem. Para um entendimento melhor destas reações estas são estudadas separadamente.
2.1.3.1. Hidratação dos compostos químicos
As observações das quatro principais fases sólidas na pasta de cimento hidratada, a seguir apresentada, podem ser analisadas por um microscópio eletrônico de varredura.
Iniciada a hidratação do cimento, a hidratação dos silicatos, C3S e C2S, iniciam-se após algumas horas, formando os silicatos de cálcio hidratados e hidróxido de cálcio. Na literatura, costuma-se indicar, de modo simplificado, os silicatos de cálcio hidratados de (C-S-H) e o hidróxido de cálcio de (C-H). Os silicatos compõem, aproximadamente, 75% do cimento Portland comum e são responsáveis pelo desenvolvimento da resistência mecânica. A pasta de cimento completamente hidratada é composta de 50 a 60% do volume de sólidos de C-S-H, sendo, portanto, a fase mais importante na determinação de suas propriedades. A estrutura exata do C-S-H não é conhecida. A sua morfologia apresenta de fibras pouco cristalinas a redes reticulares. O gel de C-S-H também é conhecido de gel de tobermorita referindo-se a semelhança ao minério de tobermorita. A sua superfície específica esta entre 100 a 700 m2/g. A estrutura do C-S-H se apresenta como um arranjo irregular ou dobrado de camadas com espaços interlamelares de diferentes tamanhos e formas. Os espaços interlamelares, também conhecido como poros de gel, ou distância sólido-sólido são de, aproximadamente, de 18 Å (MEHTA e MONTEIRO, 2008).
Os cristais d e hidróxido de cálcio (C-H) apresenta composição química definida, Ca(OH)2, sendo também denominado de portlandita. A sua morfologia se apresenta na forma de grandes cristais prismáticos hexagonais e constituem de 20 a 25% de volume de sólidos na pasta de cimento. A sua contribuição na resistência mecânica é pequena, pois sua superfície específica é muito baixa e não suporta presença de umidade, comparado ao C-S-H. É o único composto solúvel em água sendo, portanto responsável pela degradação do cimento endurecido (NEVILLE, 1997).
As equações das reações químicas envolvendo C-S-H com a água são apresentadas a seguir.
2C3S + 6H2O C3S2H3 + 3Ca(OH)2 (equação 2.1)
2C2S + 4H2O C3S2H3 + Ca(OH)2 (equação 2.2)
A fase intersticial é formada por aluminato e ferroaluminato de cálcio, C3A e C4AF, respectivamente. O C3A reage rapidamente com a água e se cristaliza em poucos minutos. Não produz hidróxido, mas forma aluminato hidratado na forma de sulfoaluminato de cálcio resultante da reação do C3A com o sulfato de cálcio (gipsita). O calor de hidratação é intenso que seca a massa. É o principal responsável pelo calor de hidratação do cimento. Nos primeiros minutos, entre 10 e 15 minutos, forma-se ao redor da partícula de C3A uma camada de sulfoaluminato de cálcio, conhecido também como etringita (AFt). Com o consumo total da gipsita a camada de etringita se rompe fazendo com que C3A disponível reage com a etringita, transformando-se em monossulfoaluminato hidratado (AFm) (CAMARINI, 1995).
Os compostos de sulfoaluminatos de cálcio são os responsáveis pelo início de pega e desenvolvimento inicial da resistência mecânica. Ocupam de 15 a 20% do volume de sólidos da pasta de cimento hidratada. A presença de monossulfato hidratado no concreto de cimento Portland torna o concreto suscetível ao ataque por sulfato (MEHTA e MONTEIRO, 2008).
A reação da fase ferrita (C4AF) ocorre paralelamente à do C3A. O C4AF reage mais lento que o C3A e não libera cal, mas forma também um aluminato na forma de sulfoaluminato (AFt) e monossulfoaluminato de cálcio (AFm). Desenvolve menos calor e não reage rapidamente e na presença da gipsita retarda ainda mais a sua hidratação.
Assim, a hidratação do cimento Portland, quimicamente, é um processo complexo de dissolução-precipitação e a dinâmica de cada reação de hidratação acontecem em diferentes velocidades e ocorrem simultâneamente, interferindo umas sobre as outras (CAMARINI, 1995). A dinâmica do progresso das reações de hidratação do cimento Portland pode ser observada na Figura 2.2.
Figura 2.2 - Representação esquemática do desenvolvimento da hidratação de um grão de cimento, apresentada por SKALNY apud SILVA, 2006.
2.1.4. Influência dos tipos de cimento na resistência dos concretos Os vários tipos e classes de cimento podem ser utilizados na produção dos concretos. Diferenciam-se pelas adições introduzidas na sua fabricação e pela sua finura, que irão influir, geralmente, na resistência mecânica dos concretos. No cimento Portland, a finura é um parâmetro que influi na resistência mecânica. Desta forma, quanto mais fino o cimento Portland maior a resistência mecânica do concreto, tanto nas idades iniciais, de 3 a 14 dias, como nas idades finais superiores a 180 dias. Entretanto, um cimento mais fino pode acarretar uma fissuração maior em relação a um cimento mais grosso, para um mesmo consumo de cimento. O cimento tipo CP-V (ABNT, 1991b), pelas suas características alta resistência inicial, pode produzir concreto de maior resistência mecânica. As diversas adições que são introduzidas na fabricação dos cimentos de diversos tipos influem nas propriedades físicas e químicas. Por exemplo, a adição do filer de calcário no cimento Portland irá influir no grau de carbonatação das argamassas. Quimicamente, a carbonatação proporciona a redução do pH da
mistura, com conseqüente diminuição da vida na argamassa e concretos (VEIGA,
F. N.; BITTENCOURT, R. M.; ANDRADE, W. P., 1998).
2.2. Sílica ativa
A sílica ativa foi um produto residual da indústria de silício metálico e ligas de ferro-silício. A partir da década de 70, na Noruega, estas indústrias foram obrigadas, por força de lei ambiental, a coletar o pó gerado na produção de silício e ligas de ferro-silícico. A redução do quartzo em silício a temperatura de 2000 oC produz vapor de SiO, que se oxida e condensa na região de baixa temperatura do forno em partículas esféricas minúsculas, formando sílica não cristalina. Este material é coletado através de filtros manga e tem diâmetro médio de, aproximadamente, 0,1 µm. Possui superfície específica entre 15 a 25 m2/g. Como adição, a sílica ativa tem grande potencial uma vez que sua incorporação ao concreto possibilita melhoria de suas propriedades mecânicas além de conferir ao concreto menor permeabilidade. É um material altamente pozolânico, e devido a sua alta finura requer muita água quando adicionado ao concreto, sendo necessária a adição de aditivo superplastificante para diminuir a quantidade de água a ser adicionada. Os resíduos da produção de silício metálico e ferro- silícico tem em sua composição um teor de 85 a 95% de sílica não-cristalina, isto é, sílica amorfa.
2.2.1. Produção do silício ou ferro-silícico
A matéria prima utilizada na produção do silício ou ferro-silícico é o quartzo. Junto a ela são adicionados pedaços de madeira e carvão em forno elétrico de eletrodos de arco submerso. A temperatura de operação nos fornos é da ordem de 1600 2000 oC. Na fundição das matérias primas gera um gás dentro do forno que é gás carbônico (CO2) que evapora e o óxido de silício (SiO2), que se oxida e condensa como material particulado. Esse subproduto particulado, extremamente fino, é capturado nos filtros de manga e armazenado em silos (AÏTCIN, 2000). Até
os anos 70 o SiO2 era denominada de micro-sílica e partir desta época passou a se denominada de sílica ativa, por força de patente comercial do nome “micro-sílica”.
Na Figura 2.3 é apresentado o esquema de produção do ferro-silícico e a evaporação do SiO2, que é uma micro-sílica ou sílica ativa.
Figura 2.3 - Esquema de produção de ferro silícico indicando a evaporação do SiO2 metálico que será resfriado e coletado em filtro manga (AÏTCIN, 2000).
O material óxido de silício é uma sílica amorfa composta de partículas esféricas, extremamente minúsculas, com aspecto vítreo, alta área específica ao extremo e é altamente pozolânica. A dimensão de sua partícula e da ordem de 100 vezes menor que a partícula de cimento Portland. A granulometria de um cimento e dois tipos de cinza volante comparada à granulometria de uma sílica ativa é apresentada na Figura 2.4.
Figura 2.4 - Granulometria de um cimento e duas cinzas volantes comparada à granulometria de uma sílica ativa (MEHTA e MONTEIRO, 2008).
2.2.2. Composição química
Conforme Mehta e Monteiro (2008), a produção do silício metálico e liga de ferro-silícico com 75% ou mais de teor de silício resultam em subproduto de SiO2 de 85 a 90% de sílica não cristalina. Uma produção de liga de ferro-silícico com 50% de silício o subproduto apresentará um teor muito menor de sílica, sendo inadequada a sua utilização como material pozolânico (MEHTA e MONTEIRO,
2008). Assim, a sílica ativa tem em sua composição alto teor de sílica amorfa junto
a uma quantidade pequena de outros produtos como a alumina, ferro, cálcio, álcalis, carbono. A atuação dos principais composto químicos presentes na sílica ativa é apresentada a seguir.
Óxido de carbono (CO2): responsável pela cor cinza, variando de branco acinzentado a cinza escuro. Quanto maior o teor de carbono mais escuro será a cor da sílica ativa e irá influir na reologia do concreto fresco devido a sua alta finura, da ordem de 0,1 µm a 20 µm. O teor de carbono varia de 1,5 a 6%;
Dióxido de silício (SiO2): sílica amorfa, material altamente pozolânico, com teor mínimo de 85%;
Óxido férrico (Fe2O3): em teor maior que 3% provoca um volume significativo de vazios no concreto;
Álcalis (Na2 e K2): a sua presença aumenta o teor de álcalis no concreto, embora em quantidade mínima, somado aos álcalis do cimento. Em ambiente úmido pode ocorrer as reações entre sílica amorfa e íons hidroxila (reação álcali-sílica), reação com silicatos presentes em algumas rochas (reação álcali-silicato) e entre rochas calcárias (reação álcali-carbonato) (SILVA, 2006).
Aitcin (2000) apresenta uma composição química de algumas sílicas ativas, e como comparação a composição encontrada por Rêgo et al (2007), conforme Tabela 2.1 a seguir.
Tabela 2.1 - Composição química de algumas sílicas ativas (AÏTCIN, 1983 apud AÏTCIN, 2000) e valores encontrados por Rêgo et all (2007) para sílica utilizada.
Composto
químico Sílica cinza
Ferro-silício cinza Ferro-silício branco Sílica (Rêgo et all) SiO2 93,7 87,3 90,0 91,58 Al2O3 0,6 1,0 1,0 0,17 CaO 0,2 0,4 0,1 0,70 Fe2O3 0,3 4,4 2,9 0,46 MgO 0,2 0,3 0,2 0,72 Na2O 0,2 0,2 0,9 0,20 K2O 0,5 0,6 1,3 0,25 Perda ao fogo 2,9 0,6 1,2 4,29 2.2.3. Propriedades físicas
A Figura 2.3 mostra que a dimensão das partículas da sílica ativa varia de 0,01 a 1µm. A medição dessas partículas é feita através de fotos obtidas por microscópio de transmissão eletrônico, como mostrado na Figura 2.5.
Figura 2.5 - Partícula de sílica ativa. (Fonte: www.elkem.material.no)
A massa específica é de cerca de 2,2 g/cm3. Quanto à área específica da sílica ativa, obtida por adsorção de nitrogênio para materiais extremamente fino, é da ordem de 15 a 25 m2/g.
Comparativamente, RÊGO et all (2007) encontraram valores de 2,2 g/cm3 para massa específica e de 15,9 m2/g de área específica para sílica ativa utilizada.
2.2.4. Reação da sílica com os compostos do cimento
A sílica ativa provoca uma melhoria na qualidade do concreto tanto em termos de resistência mecânica como na sua durabilidade. Isso acontece pela sua atuação no concreto de duas maneiras: a primeira é química, na qual a sua reação pozolânica que reage com o hidróxido de cálcio (sem nenhuma resistência mecânica ou química) resultando em silicato de cálcio hidratado, responsável pela resistência mecânica do cimento. Basicamente, a reação química dos compostos do cimento com a sílica ativa é pozolânica. A hidratação dos compostos do cimento produz o silicato de cálcio hidratado (C-S-H) e hidróxido de cálcio (CH). A sílica ativa quando adicionado ao concreto fresco reage quimicamente com o CH produzindo mais C-H-S, e assim, melhora as propriedades mecânica e de durabilidade do concreto endurecido em relação ao mesmo traço de concreto sem
a adição da sílica. A sílica ativa modifica a microestrutura da pasta de cimento, principalmente na interface da pasta e agregado, onde ocorreu a reação da sílica com o CH densificando a região (SILVA, 2006). A Figura 2.6 mostra uma micrografia do C-S-H denso com sílica ativa em torno do agregado.
Figura 2.6 - C-S-H denso em torno do agregado (AÏTCIN, 2000).
A segunda é seu efeito filer, preenchendo os vazios entre os agregados, principalmente na interface agregado/pasta de cimento. Entretanto, a sílica apresenta um inconveniente que é a sua alta finura. A sua partícula é cerca de 100 a 150 vezes menor que o cimento. A sua extrema finura é a responsável pela ocupação dos vazios da estrutura porosa tornando-a mais densa. É o chamado refinamento dos poros ou empacotamento granulométrico melhorando a adesividade da pasta de cimento com o agregado tornando o concreto mais resistente tanto mecanicamente como quimicamente. Quando adicionado ao concreto demanda uma quantidade muito grande de água, aumentando a relação a/c sendo necessária a adição de aditivo superplastificante para diminuir a quantidade de água a ser adicionada. (DINTEM, 2000). A Figura 2.7 mostra esquematicamente o efeito fíler da sílica ativa entre as partículas de cimento.
Figura 2.7 - Esquema do efeito fíler da sílica ativa (AÏTCIN, 2000).
Concretos que contém sílica ativa apresentam melhor desempenho e durabilidade, pois apresentam uma microestrutura densa, muito mais compacta que é destacada pelos efeitos pozolânico e microfíller (MENDES, S. E da. S.;
3.
AGREGADOS3.1. Características gerais
O termo “agregado”, no setor da construção civil no Brasil, identifica o material granular de origens diversas e tamanhos, geralmente utilizados na produção de argamassas e concretos de cimento Portland ou concreto asfáltico. Na legislação mineral, o termo “agregado para construção civil” identifica um segmento do setor mineral que produz matéria-prima bruta ou beneficiada, de emprego imediato na indústria da construção civil (VALVERDE, 2001). O agregado tem uma participação importante na produção de argamassa e concreto, tanto em base técnica como econômica. Em base técnica o agregado atua positivamente, por exemplo, diminuindo a retração, aumentando a resistência ao desgaste. Economicamente, o agregado custa menos que o cimento e, portanto, é mais econômico adicionar mais agregado que o cimento na produção de argamassas e concretos. Em geral o volume ocupado pelo agregado é de 60% a 80% do volume total da mistura de concreto (SELMO, 1986) (NEVILLE, 1997). Na construção civil, observa-se a utilização de agregado de vários tamanhos, formas e modos de aplicação. São utilizados, isoladamente, como calçamento de ruas, como base de dormentes de ferrovia, acabamento arquitetônico, dreno, ou ainda, como material inerte de enchimento na produção de argamassa, concreto e asfalto.
Os finos originados da britagem de rocha é o material residual, resultante da obtenção do agregado graúdo de pedra britada e apresenta dimensão máxima de 4,8 mm, e com material fino abaixo de 75m acima de 6%. Este material é mais conhecido como pó de pedra ou areia artificial. Pela definição da NBR-9935 (ABNT, 1987d), a areia artificial e agregado artificial é o material proveniente da britagem de rocha.
Neste trabalho, o enfoque está no agregado miúdo de areia artificial, para produção de concreto.
A especificação NBR-7211 (ABNT, 2005), classifica o agregado miúdo como aquele que apresenta 95% do material, em massa, passante pela peneira de malha quadrada de abertura de 4,8 mm, e de agregado graúdo, aquele que fica retido 95% na peneira de 4,8 mm.
3.1.1. Forma das partículas do agregado
A forma e área específica das areias influem de maneira significativa nas propriedades dos concretos. Geralmente, em estudos de argamassas e concretos analisam-se principalmente a sua granulometria. As características geométricas dos grãos de areia, como forma e textura, não são avaliadas. A avaliação da forma pelo método da NBR 7389 (ABNT, 1992), é visual, e a comparação é feita com a forma padronizada (Figura 3.1).
Figura 3.1 – Avaliação visual dos graus de esfericidade e arredondamento, conforme NBR 7389 (ABNT, 1992)
As areias de rio tendem a apresentar grãos rugosos e alongados, e as areias de praia tendem a ser lisas e esféricas (ARAUJO e TRISTÃO, 2001). A forma geométrica do agregado é de difícil definição pela forma tridimensional. Observa-se que as areias e pedregulhos de rio apresentam formas arredondadas. A areia artificial apresenta grãos angulosos, superfície rugosa e baixa esfericidade. Estas características irão influir na trabalhabilidade dos concretos
(NEVES e LIMA, 2001). A forma da partícula do agregado britado depende da natureza do mineral de origem, do tipo de britador e da sua relação de redução, isto é, da relação entre o tamanho de material que entra e do material que sai do britador. O interesse tecnológico quanto à forma da partícula do agregado é devido à sua influência na trabalhabilidade do concreto ou argamassa. Partículas alongadas ou lamelares apresentam superfície específica maior do que as partículas de forma regular, e assim, elas influem de modo negativo na trabalhabilidade (NEVILLE, 1997). Para o agregado graúdo existem métodos de ensaios para avaliar a forma das partículas que o compõe, denominado índice de forma do agregado, conforme NBR 7809 (ABNT, 1983). Os métodos de ensaios existentes são diferentes e, portanto, os índices de forma do agregado são diferentes. No entanto, os índices indicam limites para o uso do agregado sem que a forma não prejudique de modo acentuado a trabalhabilidade. Para o agregado miúdo não existe uma avaliação da forma das partículas do agregado devido, talvez, à dificuldade de se medir as dimensões das partículas. Observa-se, na prática, pelo manuseio da argamassa, que não há dificuldade de se trabalhar com argamassa de areia artificial ou areia de rio, de mesmo traço. ROSELLO (1976), apud SELMO, (1989), observou que areia com grãos mais angulosos aumenta a resistência de aderência ao cisalhamento, pois aumenta o coeficiente de atrito da interface.
A determinação da forma das areias pode ser determinada por meio da morfoscopia. Esta técnica permite avaliar o grau de arredondamento em seis grupos: muito angular, angular, subangular, subarredondado, arredondado e muito arredondado. A Figura 3.2 mostra os diferentes graus de arredondamento das partículas, conforme padrões estabelecidos.
Figura 3.2–Padrão de imagens de arredondamentos (McLANE, 1995, apud ARAÚJO e TRISTÃO, 2001).
Agregado miúdo com menor teor de grãos angulosos tende a produzir concretos com melhor trabalhabilidade mantendo-se a granulometria contínua (NEVILLE, 1997)
3.1.2. Textura das partículas de agregado
Quanto à superfície dos grãos, a avaliação é visual e é descrita pela sua textura superficial, sendo classificado em polido, fosco ou rugoso, conforme NBR 7389 (ABNT, 1992).
A textura da superfície do agregado pode ser rugosa, como nas partículas de pedra britada, ou lisa, como os seixos rolados ou pedregulhos. Observa-se, na prática, que agregados com partículas arredondadas e textura lisa exigem menos pasta de cimento e água para se conseguir misturas de argamassas e concretos trabalháveis em relação a agregados com forma angulosa e de textura áspera. O agregado miúdo condiciona a demanda de água e este condicionante é o fator mais importante na durabilidade das argamassas e concretos (MEHTA e
3.1.3. Massa unitária
A massa unitária é um dado físico necessário quando os agregados são medidos em volume na dosagem de argamassas e concretos. Define-se massa unitária como a razão entre a massa das partículas do agregado que ocupam uma unidade de volume. A massa unitária é um fator de conversão de medida em massa para medida em volume, com agregado no estado seco, visto que um estudo de dosagem de argamassa é realizado com todos os materiais medidos em massa. A determinação da massa unitária, no estado seco e solta é realizada conforme a NBR-7251 (ABNT, 1982). Geralmente, nas obras, a dosagem de argamassa é realizada com o agregado miúdo medido em volume, e no estado úmido. Verifica-se, experimentalmente, que a massa unitária varia com a umidade, e que a umidade influi no volume do agregado miúdo devido ao inchamento (Figura 3.3).
Figura 3.3 - Gráfico típico de variação da massa unitária com a umidade de um agregado miúdo (ISHIKAWA, 2003)
A massa unitária determinada conforme NBR-7251 (ABNT, 1982) não é apropriada para determinar o menor volume de vazios para se obter o menor consumo de cimento, para traços em massa, sem perda das propriedades
mecânicas. No traço em massa de concretos, os agregados representam, aproximadamente, 80% do total do traço.
A mistura de agregados de diferentes composições granulométricas, para se obter uma maior massa unitária, pode não ser um parâmetro para obtenção de maior compacidade da mistura. Um agregado com menor massa unitária e granulometria contínua pode resultar em argamassa e concreto de melhor compacidade e, em conseqüência, redução da relação a/c para uma mesma trabalhabilidade (CARNEIRO et. al., 2002).
3.1.4. Teor de umidade do agregado
Na mistura de argamassa fresca, para que não aconteça a migração da água da mistura para o agregado, é necessário que os poros dos agregados estejam cheios de água, isto é, na condição saturado superfície seca (sss). Agregado com absorção de água maior que a condição (sss) apresentará uma película de água que entra na mistura, ocupando um volume maior do que o volume do grão do agregado. O agregado miúdo utilizado na obra, geralmente encontra-se úmido, pelas características da sua extração de rio ou desmonte úmido de jazida. Normalmente, o agregado fica exposto à intempérie e, após a chuva, o agregado acumula água entre os grãos. No agregado miúdo, na parte interna do monte logo após a camada seca, a umidade pode chegar a 10%. Portanto, a utilização do agregado miúdo para produção de argamassa ou concreto, requer um cuidado maior em determinar o teor de umidade constantemente, minimizando a variação da relação água/cimento (relação a/c) (MEHTA e MONTEIRO 2008). Na produção de argamassa com agregados medidos em volume, o volume de argamassa varia com a umidade, devido ao inchamento do agregado miúdo.
3.1.5. Inchamento do agregado miúdo
No agregado miúdo a água livre aderente em cada grão provoca um outro efeito além do teor de umidade, que é o fenômeno do inchamento. O conhecimento do fenômeno do inchamento se faz necessário quando se mede o
agregado miúdo em volume. Quando se quantifica o agregado miúdo em volume, através da massa unitária, existe uma correlação de quantidade de massa para volume, para o mesmo processo de enchimento do recipiente. Esta correlação não vale quando o agregado miúdo apresenta-se úmido. A umidade forma uma película de água em volta de cada grão do agregado miúdo, acarretando o inchamento do conjunto. O inchamento varia com a umidade do agregado miúdo, chegando-se ao inchamento máximo com umidade entre 4 a 6%. A partir do inchamento máximo, o mesmo não aumenta com o incremento da umidade, permanecendo praticamente constante. Observa-se, também, que o agregado miúdo de granulometria mais fina apresenta inchamento maior do que o agregado de granulometria mais grossa, explicado pela superfície específica maior do conjunto para o mesmo volume (PETRUCCI, 1971). No agregado graúdo a película de umidade que cobre cada grão é muito pequeno em relação ao tamanho do grão, não afetando o volume total do agregado graúdo. Desta forma, a quantificação do agregado miúdo em volume, quando úmido, é necessária corrigir o volume seco para volume úmido, conforme o teor de umidade e respectivo coeficiente de inchamento. A Figura 3.4 mostra um gráfico típico de variação do coeficiente de inchamento com a umidade de um agregado miúdo.
1 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25 1,3 1,35 1,4 1,45 0 2 4 6 8 10 Umidade (%) C o e fi c ie n te d e i n c h a m e n to (V u /V s)
Figura 3.4 - Gráfico típico de variação do coeficiente de inchamento com a umidade superficial de um agregado miúdo (ISHIKAWA, 2003)
3.1.6. Materiais finos passantes na peneira ABNT de 75 m.
Os materiais finos passantes na peneira ABNT de 75 m por ser um material de alta superfície específica absorvem mais água, podendo assim, influir na trabalhabilidade da argamassa, se for origem argilosa. No seixo rolado, a origem dos materiais pulverulentos (finos) pode ser a argila, silte. No agregado obtido por britamento de rocha, os materiais finos passantes na peneira ABNT de 75 m é originado de seu próprio britamento, se não houver um sistema de lavagem no processo de britagem. Os materiais finos passantes na peneira ABNT de 75 m originado do próprio material de britamento pode ser tolerado em quantidade maior em relação à argila e silte. O teor máximo de materiais pulverulentos estabelecido pela NBR 7211 (ABNT, 2005) varia conforme a Tabela 3.1.
TABELA 3.1 – Materiais finos passantes na peneira ABNT de 75 m presente nos agregados – NBR 7211 (ABNT, 2005)
Especificação Aplicação Origem do agregado Teor máximo de materiais finos (%) NBR 7211 (ABNT, 2005) Concreto submetido à desgaste superficial Areia de rio 3 Areia artificial 10
Demais concretos Areia de rio 5
Areia artificial 12
3.1.7. Composição granulométrica
Composição granulométrica ou granulometria é a distribuição dos diferentes tamanhos de grãos que compõem o agregado, expressa em porcentagem do material retido acumulado, ou material passante acumulado, em cada peneira. A granulometria do agregado é realizada utilizando-se as peneiras normalizadas pela NBR 7211 (ABNT, 2005).
A granulometria do agregado é um dado importante na tecnologia das argamassas e concretos, pois ela interfere na sua qualidade e no seu custo. Areia de granulometria grossa produz argamassa e concreto de superfície áspera e de difícil trabalhabilidade; areia muito fina necessita mais água para o mesmo traço e trabalhabilidade. O empacotamento denso do agregado, isto é, com menor número de vazios, será mais econômico, pois irá requerer mínima quantidade de pasta de cimento.
A granulometria do agregado é um dado importante na tecnologia das argamassas e concretos, pois ela interfere na sua qualidade e no seu custo. Areia de granulometria grossa produz argamassa e concreto de superfície áspera e de difícil trabalhabilidade.
No Brasil a especificação NBR 7211 (ABNT, 2005) estabelece faixa granulométrica de material utilizável e ótima de agregado miúdo para concretos. As faixas granulométricas podem ser observadas na Figura 3.5.
Figura 3.5 – Limites granulométricos de agregado miúdo da especificação NBR 7211 para concreto (2005).
Areia muito fina necessita mais água para o mesmo traço e trabalhabilidade. O empacotamento denso do agregado, isto é, com menor número de vazios, será mais econômico, pois irá requerer mínima quantidade de pasta de cimento.
A granulometria, ou a distribuição dos diferentes tamanhos dos grãos de um agregado, pode apresentar agregado com granulometria contínua, descontínua ou uniforme (SELMO, 1986). A Figura 3.6 ilustra as três formas granulométricas de um agregado e respectivas variações de volumes de vazios.
Figura 3.6-Ilustração da forma de distribuição granulométrica e comparação das respectivas variações de volumes de vazios. (SELMO, 1986).
No Brasil, por exemplo, pela extensão continental, observam-se agregados de várias origens mineralógicas, como granito, gnaisse, basalto, calcário, seixo rolado, laterita, etc. na produção de agregado graúdo, e de agregado miúdo extraídos de leitos de rios e de jazidas diferentes, cada uma com composições granulométricas diferentes (VALVERDE, 2001). Desta forma, não existe uma granulometria ideal, pois as condições locais não se repetem de uma região para outra. Assim, a uniformidade das argamassas e concretos está relacionada à uniformidade da composição granulométrica da mistura e, portanto, depende da uniformidade de cada agregado individualmente (ANDRADE, 1997) (CINCOTTO, 1999).
A especificação NBR 7211 (ABNT, 2005) estabelece faixas granulométricas para escolha de agregado graúdo compatível com as dimensões da peça de concreto e densidade de armadura para concretos. As faixas granulométricas podem ser observadas na Figura 3.6.
Figura 3.6 – Faixas granulométricas da especificação NBR 7211 para concreto (2005).
Os aspectos físicos são importantes, mas não deve ser deixado de lado o aspecto econômico. Desta forma, não devem ser impostos limites restritos de granulometria inviabilizando a sua utilização por este aspecto. Na prática, devem-se utilizar os agregados disponíveis no local ou em distâncias econômicas, e produzir boas argamassas e concretos com estudo de dosagens. Neste sentido, têm se realizado vários estudos para verificar a influência da granulometria nas propriedades das argamassas e concretos (NEVILLE,1997).
CINCOTTO e CARNEIRO (1999) compondo várias granulometrias com teores de finos passantes na peneira de 75 m, obteve o melhor desempenho da argamassa composta com areia de granulometria contínua, mesmo com areia que apresentava material passante na peneira de # 0,150 mm. Isto pode ser estendido também para o concreto.
BONIN, FEUERHARMEL e CARNEIRO (1999) calcularam o coeficiente de uniformidade nas diversas composições granulométricas utilizando a areia normal do IPT para verificar se a granulometria descontínua também pode ser utilizada na produção de argamassa, como ocorre no concreto. Não se chegou a uma conclusão definitiva sobre as diversas granulometrias produzidas.
BONIN, KOPSCHITZ e CINCOTTO (1999) estudaram a influência da granulometria na absorção capilar das argamassas de revestimento. Concluiu-se que a granulometria influiu muito pouco na absorção capilar das argamassas e consequentemente no concreto.
CARNEIRO e MUNIZ (2001) estudando areias de Belém (PA) e da Ilha de Marajó, formaram amostras binárias entre essas areias produzindo diversas composições granulométricas e estudaram o comportamento das argamassas produzidas com estas areias. Concluíram que o importante não é a finura da areia e sim a granulometria contínua. A granulometria contínua aumentou a massa unitária, diminuindo, portanto, o índice de vazios da areia, o que é benéfico também ao concreto.
Do exposto acima se verifica que é necessário um estudo de dosagem de argamassas e concretos utilizando a areia disponível e avaliar o seu desempenho para a finalidade a que se destina. A mistura de agregados de diferentes composições granulométricas, para se obter uma maior massa unitária, pode não ser um parâmetro para obtenção de maior compacidade da mistura. Um agregado com menor massa unitária e granulometria contínua pode resultar em argamassa e concreto de melhor compacidade e, em conseqüência, redução da relação a/c para uma mesma trabalhabilidade (CARNEIRO et. al., 2002; TUTIKIAN, DAL MOLIN, 2008).
4. ADITIVOS
4.1. Aditivo plastificante
Os aditivos para concreto de modo genérico são produtos amplamente utilizados pelos muitos benefícios possíveis com sua aplicação. Existem aditivos que podem controlar o tempo de pega do concreto, acelerando ou retardando a sua pega. Em regiões de clima frio onde há o problema do gelo/ degelo é adicionado ao concreto aditivo incorporador de ar para aumentar a sua durabilidade. Aditivos plastificantes podem melhorar a fluidez do concreto pela redução da tensão superficial da água.
Conforme a NBR 11768/92 os aditivos plastificantes (tipo P), são definidos como produtos que aumentam o índice de consistência do concreto mantendo-se a quantidade de água de amassamento constante, ou ainda, como os produtos que possibilitam a redução mínima de 6% da água de amassamento na produção de um concreto com uma dada consistência.
Aditivos plastificantes são produtos químicos que são adicionados aos concretos, durante a mistura, em pequenas quantidades em relação à quantidade de cimento. Os aditivos plastificantes também são denominados de redutores de água. Assim, os aditivos plastificantes atuam de formas diferentes, como redutores de água, reduzindo o consumo de água e assim aumentando a sua resistência mecânica, ou como plastificante, aumentando a fluidez do concreto sem aumentar a quantidade de água, ou ainda reduzindo o consumo de cimento. Estas formas de atuação podem ser observadas na Tabela 4.1 a seguir.
Tabela 4.1 – Benefícios obtidos com aditivo plastificante (Hewlett, P. C.; Rixom, M. R., ed., in Concret Admixtures: Use and Aplications, Construction Press, Lancaster, London, p.16, 1978, apud
MEHTA e MONTEIRO, 2008) Concreto Consumo de cimento (kg/m3) Relação Água/cimento Abatimento (mm) Resistência à compressão simples (MPa) 7 dias 28 dias A-Concreto de referência (sem aditivo) 300 0,62 50 25,0 37,0
Adição de aditivo plastificante ou redutor de água com finalidade de: B- Aumentar a consistência 300 0,62 100 26,0 38,0 C- Aumentar a resistência 300 0,56 50 34,0 46,0 D- Economizar cimento 270 0,62 50 25,5 37,5
Os produtos usados como aditivos plastificantes são sais e derivados de ácidos lignossulfônicos, ácidos carboxílicos hidroxilados e polissacarídeos ou qualquer combinação dos três, com ou sem outros constituintes secundários. As estruturas de três produtos plastificantes são apresentadas na Figura 4.1. Observa-se que nos aditivos plastificantes o grupo polar aniônico está ligado a uma cadeia de hidrocarbonetos que é polar ou hidrófila, isto é, diversos grupos OH estão presentes na cadeia. Quando uma pequena quantidade de água é adicionada ao cimento, sem a presença de aditivo, não se obtém um sistema bem disperso porque, primeiramente, a água possui alta tensão superficial, devido a presença de ligações de hidrogênio na estrutura molecular e, segundo, as partículas de cimento tendem a se agrupar ou formar flóculos, uma vez que quando minerais cristalinos ou compostos são finamente moídos, existem forças de atração entre suas arestas, cantos e superfícies carregadas positiva e negativamente. (Figura 4.1).
Figura 4.1 – a) Estrutura química típica de três aditivos plastificantes; b) Representação esquemática de absorção de moléculas de hidrocarboneto por uma partícula de cimento tornando-a hidrófiltornando-a; c) Representtornando-ação esquemátictornando-a de formtornando-ação de flóculos de cimento tornando-antes dtornando-a tornando-adição de
aditivo plastificante e a dispersão das partículas depois da adição do aditivo (Adaptado de KREIJGER, P. C., in Admixtures, Construction Press, Lancaster, London, 1980, apud MEHTA e
MONTEIRO, 2008).
O tempo de atuação dos aditivos plastificantes é limitado, pois a reações dos compostos do cimento tem início. A temperatura ambiente influi na reação dos produtos de hidratação do cimento e estas interagem com os compostos dos aditivos. As primeiras reações acontecem com C3A e a gipsita e conjuntamente com a finura do cimento também influi na interação com o aditivo. A quantidade de aditivo também irá influir no comportamento do cimento. Como os lignossulfonatos contêm em sua composição algum açúcar, uma quantidade excessiva de aditivo poderá influir na pega do concreto, retardando o seu endurecimento. Neste caso o aditivo pode funcionar como plastificante e retardador de pega do concreto. Os aditivos a base de ligninas incorporam grande quantidade de ar no concreto. Para
minimizar a incorporação de ar ao concreto, a esses aditivos são adicionados produtos químicos deaerantes. Assim, recomenda-se a realização de ensaios de laboratório para analisar a compatibilidade do aditivo com o cimento antes de iniciar a sua utilização (MEHTA e MONTEIRO, 2008).
4.2. Aditivo superplastificante
Os aditivos superplastificantes são utilizados para aumentar a fluidez do concreto sem adicionar água à mistura. Isso pode ser aproveitado de duas formas. A primeira, aumentar a fluidez ou a trabalhabilidade e obter a mesma resistência mecânica e a segunda, diminuir a relação a/c mantendo a mesma trabalhabilidade e aumentar a resistência mecânica. Os aditivos superplastificantes atuam diretamente nas partículas do cimento provocando a defloculação e dispersão das suas partículas, influindo desta forma no melhor aproveitamento da água adicionada à mistura (NEVILLE, 1997).
Com êles é possível o desenvolvimento de concretos com elevada fluidez e com reduzida segregação ou exsudação. Entretanto, com a elevada fluidez da mistura pode ser necessária um ajuste no traço de concreto com um aumento do teor de finos na mistura para eliminar a segregação. A elevada fluidez do concreto, sem acréscimo de água, é obtida através do efeito de dispersão das partículas de cimento com o uso dos aditivos superplastificantes, e a redução da segregação e ou exsudação, é devido à coesão que o aditivo superplastificante e a adição mineral (aumento do teor de finos) conferem à mistura. Observa-se na prática que a adição de 0,5 a 1,5% de superplastificante, em relação à massa de cimento, no concreto causa um aumento significativo de abatimento, uma vez que o concreto que apresentava de 50 a 80 mm de abatimento passará a ter de 200 a 250 mm. Porém, esse efeito dura pouco tempo, durando cerca de 40 a 60 minutos.
Para manutenção dos altos abatimentos dos concretos, deverão ser adicionadas novas dosagens, em quantidades menores que o inicial, do superplastificante, isso porque os incrementos são feitos após a perda de abatimento e tendo cuidados necessários para não haver segregação. Uma outra
alternativa é utilizar um aditivo retardador de pega em conjunto com o superplastificante (MEHTA e MONTEIRO, 2008).
Assim, a adição de aditivo superplastificante influi na reologia do concreto reduzindo a tensão de escoamento da mistura, sendo esta a principal responsável pela maior fluidez da mistura. Todavia, há um limite no teor máximo de dosagem do aditivo superplastificante na mistura do concreto. Esta limitação é obtida pela determinação do ponto de saturação medindo-se a fluidez da pasta de cimento com diversos teores de aditivo, por exemplo.
Observou-se que o comportamento reológico da mistura de uma pasta de cimento é muito sensível a qualquer modificação que a mistura sofra, seja ela por uma modificação da composição química do cimento, da incorporação de aditivos químicos, da mudança de temperatura (BERTOLUCCI et all, 2007).
Conforme a NBR 11768/92 os aditivos superplastificantes (tipo SP), também chamados de aditivos redutores de água de alta eficiência pela norma americana ASTM C-494/92 , são definidos como produtos que aumentam o índice de consistência do concreto mantendo-se a quantidade de água de amassamento constante, ou ainda, como os produtos que possibilitam a redução mínima de 12% da água de amassamento na produção de um concreto com uma dada consistência.
Os aditivos superplastificantes surgiram na década de 70. Os aditivos superplastificantes são polímeros orgânicos hidrossolúveis obtidos sinteticamente através de um processo de polimerização complexo utilizado na produção de moléculas longas e de massa molecular elevada, sendo, portanto, relativamente caros. Porém, ao serem produzidas para um fim específico, suas características, em relação ao comprimento das moléculas, são otimizadas para um mínimo de entrelaçamento necessário, tornando, assim, a aplicação do produto viável (NEVILLE, 1997).
Esses aditivos são considerados como da primeira geração. Eram quase que exclusivamente compostos por melamina sulfonada e naftaleno sulfonado condensado com formaldeido. Os concretos produzidos com esses aditivos apresentaram excessiva exsudação e segregação além da perda rápida de
