ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO
Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil
CLÁUDIA FLAVIANA CAVALCANTE DA SILVA
ANÁLISE DE MÉTODOS DE PREVENÇÃO DA REAÇÃO
ÁLCALI-AGREGADO: ANÁLISE PETROGRÁFICA E MÉTODO ACELERADO
DE BARRAS DE ARGAMASSA
Recife, PE 2009
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UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO
ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO
Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil
CLÁUDIA FLAVIANA CAVALCANTE DA SILVA
ANÁLISE DE MÉTODOS DE PREVENÇÃO DA REAÇÃO
ÁLCALI-AGREGADO: ANÁLISE PETROGRÁFICA E MÉTODO ACELERADO
DE BARRAS DE ARGAMASSA
Dissertação apresentada ao Curso de Pós-graduação em Engenharia Civil, da Escola Politécnica da Universidade de Pernambuco, para obtenção do título de mestre em Engenharia.
Área de Concentração: Construção Civil Orientadora:
Profª Dra. Eliana Cristina Barreto Monteiro Co-orientador:
Profº Dr. Alexandre Duarte Gusmão
Recife, PE 2009
A DEUS A meus pais e familiares
AGRADECIMENTOS
Agradeço a minha orientadora, Profª Eliana Monteiro, não somente pelo constante incentivo, acompanhamento e dedicação na realização deste estudo, mas também pela amizade e apoio nos momentos difíceis.
Ao meu co-orientador, Profº Alexandre Gusmão, pelas críticas pertinentes e sugestões atribuídas nessa pesquisa, auxiliando-me sempre que precisei.
À Escola Politécnica da UPE, especialmente ao diretor Pedro Alcântara e aos professores e funcionários do Programa de Mestrado em Engenharia Civil (PEC), pelo apoio que me foi dado.
Aos colegas do mestrado Ana Emília, Ana Rosa, Eurico, Esdras, Giovani, Jaqueline, José Alberto, Rômulo, Renato, Sérgio e em especial a Rúbia e Lícia, pelo companheirismo e momentos compartilhados.
Ao Profº Ivan Almeida, Profª Yêda Povoas e Profª Patrícia Silva, pela valiosa colaboração para aperfeiçoamento desta dissertação.
Ao Profº Eldon Masine e Alfredo do Laboratório de Engenharia de Minas da USP, pelas informações petrográficas transmitidas e apoio na realização da britagem das rochas.
A Leandro Sanchez e Tibério Andrade, por serem tão solícitos e atenciosos e pelo inestimável apoio nessa pesquisa.
Aos professores Selmo Chapira (USP) e Gorki Mariano (UFPE), meus agradecimentos pela disponibilidade em me auxiliar, apesar dos compromissos profissionais.
À Escola Politécnica da USP, por possibilitar a utilização de suas instalações, em especial a Reginaldo, Marcos, Adilson, Talita, Fernanda e Renata, por terem se mostrado sempre solícitos, colaborando na realização desta pesquisa.
À Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP), pela colaboração no desenvolvimento dos ensaios acelerados em barras de argamassa, em especial a Flávio Munhoz, Giseli, Alice, Ana Lívia e Renan.
À CAPES pelo apoio financeiro permitindo a dedicação às atividades da pesquisa.
Às minhas irmãs Fabiane e Carmen e a meu sobrinho Tavinho pela paciência, apoio e compreensão nos meus momentos de ausência.
Ao meu cunhado José Otávio pelo incentivo na realização do mestrado e pela inestimável colaboração em várias etapas no decorrer dessa jornada.
Aos meus pais Maria José e Luiz José pelo carinho e dedicação na minha formação educacional ao longo de minha vida e pelo apoio durante o mestrado, apesar da distância.
A DEUS por ter me conduzido até aqui, dando forças para seguir mesmo nos momentos de maiores dificuldades.
A todos os demais que contribuíram de alguma forma para a realização deste estudo, meus sinceros agradecimentos.
RESUMO
SILVA, C. F. C. Análise de Métodos de Prevenção da Reação Álcali-agregado: Análise Petrográfica e Método Acelerado de Barras de Argamassa. Recife, 2009. Dissertação (Mestrado) – Escola Politécnica, Universidade de Pernambuco.
Existem inúmeras obras de concreto afetadas pela reação álcali-agregado (RAA) em vários países, apesar dessa patologia ter sido descoberta na década de 30 e de ter havido a realização de pesquisas no mundo inteiro. A prevenção ainda é a única forma eficiente de evitar que a RAA se desenvolva, porém os danos causados são irreversíveis e as soluções de recuperação ainda são paliativas. Uma maneira bastante eficaz é utilizar métodos de ensaios que auxiliem na investigação dessa reação deletéria, sendo a análise petrográfica e o método acelerado das barras bastante utilizados. Este estudo tem como objetivo principal a realização da análise comparativa entre os resultados obtidos com o método petrográfico e com os limites de expansão de três normas do método acelerado das barras de argamassa, realizados com agregados do estado de Pernambuco, buscando identificar as características reativas que influenciaram no resultado das expansões das barras. As rochas foram submetidas à análise petrográfica através da NBR 15577-3 (2008) e ao ensaio acelerado das barras de argamassa, segundo procedimento proposto pelas normas ASTM C 1260 (2005), NBR 15577- 4 (2008) e CSA A23.2-25A (1994). O método acelerado não se mostrou seguro por apresentar resultados distintos de reatividade, dependendo dos limites de expansão de cada norma utilizada. Todas as amostras apresentaram comportamento potencialmente reativo na análise petrográfica, com comprovação da existência de fases reativas, porém, a mesma classificação de reatividade não foi encontrada em alguns agregados ensaiados pelo método de expansão das barras. Aconselha-se realizar novos estudos utilizando outros ensaios existentes, bem como propor novos métodos de ensaios que apresentem maior confiabilidade quando utilizados os agregados em estruturas de concreto.
ABSTRACT
SILVA, C. F. C. Analysis of Methods of Prevention of Alkali-aggregate Reaction: Petrographic Analysis and Accelerated Mortar Bar Test. Recife, 2009. Dissertação (Mestrado) – Escola Politécnica, Universidade de Pernambuco.
There are numerous works of concrete affected by alkali-aggregate reaction (AAR) in several countries, although this pathology has been discovered in the 30s and research has been conducted worldwide. Prevention is the only effective way to avoid AAR to develop, although damages are irreversible and solutions of rehabilitation are still palliative. A very effective way of dealing with the problem is using methods of testing to assist in the investigation of this deleterious reaction, being both petrographic analysis and accelerated mortar bar test widely used. This study has as its main objective the comparative analysis between the results obtained with the petrographic method and the limits of expansion of three standards of the accelerated mortar bar test, made with aggregates of State of Pernambuco, aiming at identifying reactive characteristics which influenced the result of the bars expansions. The rocks were subjected to petrographic analysis by NBR 15577-3 (2008) and to accelerated mortar bar test according procedure proposed by ASTM C 1260 (2005), NBR 15577 - 4 (2008) and CSA A23.2 - 25A (1994). The accelerated method did not show adequate reliability because its results were moderated by the limits of expansion of each standard used. All samples showed potentially reactive behavior by the petrographic analysis, with evidence of the existence of reactive phases, although the same classification of reactivity was not found in some of the aggregates tested by the expansion method of the bars. Therefore, according to these results, is advisable to develop new studies utilizing several methods of testing, as well as to propose new methods, proved to present higher reliability when aggregates are used in concrete structures.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 - Bloco de fundação de edificação residencial com 9 anos de idade (ANDRADE, 2006)... 20 Figura 1.2 - Bloco de fundação de um edifício comercial com 25 anos de idade
(ANDRADE, 2006)... 21 Figura 2.1 - Processo de reação álcali-agregado (FERRARIS, 2000 apud
VALDUGA, 2002)... 23 Figura 2.2 - Exsudação de gel na superfície do concreto de uma galeria de
drenagem (HASPARYK; DAL MOLIN; MONTEIRO, 2006)... 24 Figura 2.3 - Arranjo atômico dos minerais na fase silicosa com estrutura cristalina e
amorfa (COLLINS et al., 2008)... 25 Figura 2.4 - Agregado na solução dos poros com fase reativa devido à estrutura
desordenada (COLLINS et al., 2008)... 26 Figura 2.5 - Ruptura das ligações do grupo siloxano (Si-O-Si) pelos íons Hidroxila
(OH¯ ) (COLLINS et al., 2008)... 27 Figura 2.6 - Ruptura do grupo silanol (Si – OH¯ ) pelos íons hidroxila (OH¯ )
(COLLINS et al., 2008)... 27 Figura 2.7 - Atração do SiO¯ e cátions alcalinos formando gel sílico alcalino ao
redor do agregado (COLLINS et al., 2008)... 28 Figura 2.8 - Gel álcali-sílica exercendo pressão sobre a pasta ou agregado, por
absorver água (COLLINS et al., 2008)... 29 Figura 3.1 - Comportamento da reação em função do teor de álcalis do cimento e o
consumo de cimento no concreto (OBERHOLSTER; VAN AARDT; BRANDT, 1983 apud HASPARYK, 1999)... 34 Figura 3.2 - Alteração esferoidal em rocha ígnea (RUBERTI; SZABÓ;
MACHADO, 2000)... 35 Figura 3.3 - Rocha sedimentar da região de Punta Arena, Sul do Chile (RUBERTI;
SZABÓ; MACHADO, 2000)... 36 Figura 3.4 - Rocha metamórfica com estrutura gnáissica, interdigitadas por feições
ígneas (RUBERTI; SZABÓ; MACHADO, 2000)... 37 Figura 3.5 - Influência do teor de finos na expansão devido à reação
Álcali-agregado (ANDRIOLO, 2006)... 38 Figura 3.6 - Comportamento péssimo (HOBBS, 1988 apud HASPARYK, 1999)... 39 Figura 3.7 - Expansões das barras em diferentes relações a/c (VALDUGA et al.,
Figura 3.8 - Expansão x temperatura de cura em prismas de concreto (SHAYAN;
XU, 2004 apud SILVA, 2007)... 43
Figura 4.1 - Análise comparativa entre os métodos dos prismas de concreto e o método acelerado brasileiro de prismas de concreto (SANCHEZ, 2008)... 53
Figura 5.1 - Fluxograma dos ensaios executados... 55
Figura 5.2 - Mapa da região Leste do estado de Pernambuco mostrando os locais de coleta das amostras (GOOGLE MAPS, 2008)... 56
Figura 5.3 - Granito... 57
Figura 5.4 - Milonito... 58
Figura 5.5 - Gnaisse... 59
Figura 5.6 - Microscópio óptico (ABCP)... 61
Figura 5.7 - Britador de mandíbula modelo (20 x 15) cm... 62
Figura 5.8 - Britador de rolos modelo (25 x 15) cm... 62
Figura 5.9 - Comprimento efetivo das barras medido na extremidade interior de pino a pino... 63 Figura 5.10 - Frações granulométricas dos agregados para moldagem das barras ... 63
Figura 5.11 - Cimento padrão para moldagem das barras... 64
Figura 5.12 - Mistura dos materiais na argamassadeira... 65
Figura 5.13 - Argamassa na cuba... 65
Figura 5.14 - Adensamento da argamassa na moldagem das barras... 66
Figura 5.15 - Rasamento da superfície na moldagem das barras... 66
Figura 5.16 - Recipiente de armazenamento das barras... 67
Figura 5.17 - Recipiente com barras imersas em soda... 67
Figura 5.18 - Estufa para armazenamento dos moldes... 67
Figura 5.19 - Barras de argamassa... 67
Figura 5.20 - Leitura da barra padrão no relógio comparador... 68
Figura 5.22 - Barra com provável formação de gel... 69
Figura 6.1 - Análise petrográfica da Amostra 1 - Ipojuca. Ampliação 10x... 72
Figura 6.2 - Análise petrográfica da Amostra 2 - Moreno. Ampliação 10x... 74
Figura 6.3 - Análise petrográfica da Amostra 3 - Vitória. Ampliação 10x... 76
Figura 6.4 - Análise petrográfica da Amostra 4 - Jaboatão (a). Ampliação 10x... 78
Figura 6.5 - Análise petrográfica da Amostra 5 - Jaboatão (b). Ampliação 10x... 80
Figura 6.6 - Análise petrográfica da Amostra 6 - Cabo. Ampliação 10x... 82
Figura 6.7 - Gráfico das expansões das barras da Amostra 1 - Ipojuca de acordo com a ASTM C 1260 (2005), NBR 15577-4 (2008) e CSA A23.2-25A (1994)... 84
Figura 6.8 - Gráfico das expansões das barras da Amostra 2 - Moreno de acordo com a ASTM C 1260 (2005), NBR 15577-4 (2008) e CSA A23.2-25A (1994)... 86
Figura 6.9 - Gráfico das expansões das barras da Amostra 3 - Vitória de acordo com a ASTM C 1260 (2005), NBR 15577-4 (2008) e CSA A23.2-25A (1994)... 88
Figura 6.10 - Gráfico das expansões das barras da Amostra 4 - Jaboatão (a) de acordo com a ASTM C 1260 (2005), NBR 15577-4 (2008) e CSA A23.2-25A... 89
Figura 6.11 - Gráfico das expansões das barras da Amostra 5 - Jaboatão (b) de acordo com a ASTM C 1260 (2005), NBR 15577-4 (2008) e CSA A23.2-25A (1994)... 91
Figura 6.12 - Gráfico das expansões das barras da Amostra 6 - Cabo de acordo com a ASTM C 1260 (2005), NBR 15577-4 (2008) e CSA A23.2-25A (1994)... 92
Figura 6.13 - Média das expansões das barras de acordo com a ASTM C 1260 (2005), NBR 15577-4 (2008) e CSA 23.2-25A(1994)... 96
LISTA DE TABELAS
Tabela 4.1 - Adaptações do método acelerado das barras quanto aos limites de expansão e tempo adotados em diferentes países (BELLEW, 1997)... 49 Tabela 4.2 - Frações granulométricas do agregado graúdo (NBR 15577-6, 2008)... 51
Tabela 5.1 - Granulometria do agregado para ensaio acelerado das barras... 62
Tabela 6.1 - Síntese das características petrográficas da Amostra 1 - Ipojuca... 73
Tabela 6.2 - Síntese das características petrográficas da Amostra 2 - Moreno... 75
Tabela 6.3 - Síntese das características petrográficas da Amostra 3 - Vitória... 77 Tabela 6.4 - Síntese das características petrográficas da Amostra 4 - Jaboatão (a)... 79
Tabela 6.5 - Síntese das características petrográficas da Amostra 5 - Jaboatão (b)... 81
Tabela 6.6 - Síntese das características petrográficas da Amostra 6 - Cabo... 83
LISTA DE QUADROS
Quadro 3.1 - Relação de rochas e minerais susceptíveis ao desenvolvimento da reação
com álcalis (NBR 15577-3, 2008)... 40
Quadro 5.1 - Características do cimento padrão... 60
Quadro 6.1 - Porcentagem de expansão das barras da Amostra 1 – Ipojuca... 84
Quadro 6.2 - Porcentagem de expansão das barras da Amostra 2 – Moreno... 85
Quadro 6.3 - Porcentagem de expansão das barras da Amostra 3 – Vitória... 87
Quadro 6.4 - Porcentagem de expansão das barras da Amostra 4 – Jaboatão (a)... 89
Quadro 6.5 - Porcentagem de expansão das barras da Amostra 5 – Jaboatão (b)... 90
Quadro 6.6 - Porcentagem de expansão das barras da Amostra 6 – Cabo... 92
Quadro 6.7 - Resumo da mineralogia, classificação petrográfica e reatividade potencial dos agregados... 95
Quadro 6.8 - Classificação dos agregados de acordo com a análise petrográfica e as três normas do método acelerado... 99
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABCP - Associação Brasileira de Cimento Portland ASTM - American Society for Testing and Materials Ca(OH)2 - Hidróxido de cálcio
CaO - Óxido de cálcio
CESP - Companhia Energética de São Paulo CSA - Canadian Standards Association C-S-H - Etringita
K+ - Cátion potássio K2O - Óxido de potássio
MEV - Microscopia eletrônica de varredura Na2Oeq - Equivalente alcalino
NaOH - Hidróxido de sódio
NBR - Norma Brasileira Regulamentada NBRI - National Building Reaserch Institute OH- - Íon hidroxila
RAA - Reação álcali-agregado RAC - Reação álcali-carbonato RAS - Reação álcali-sílica RASS - Reação álcali-silicato
RMR - Região Metropolitana do Recife SiO2 - Sílica
Si-OH - Ligações do grupo silanol Si-O-Si - Ligações do grupo siloxano
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO... 17
1.1 Justificativa e importância do tema... 17
1.2 Histórico da reação álcali-agregado... 18
1.3 Objetivos... 21 1.3.1 Objetivo geral... 21 1.3.2 Objetivos específicos... 21 1.4 Estruturação da dissertação... 22 2 REAÇÃO ÁLCALI-AGREGADO... 23 2.1 Definição... 23 2.2 Mecanismo de expansão... 24
2.3 Tipos de reação álcali-agregado... 29
2.3.1 Reação álcali-sílica (RAS)... 29
2.3.2 Reação álcali-silicato (RASS)... 30
2.3.3 Reação álcali-carbonato (RAC)... 30
3 PRINCIPAIS FATORES INTERFERENTES NA RAA... 32
3.1 Concentração de hidróxidos alcalinos... 32
3.2 Agregados reativos... 34
3.3 Umidade... 41
3.4 Temperatura... 42
3.5 Tensão de confinamento... 43
3.6 Tempo... 44
4 MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO DA RAA... 45
4.1 Análise petrográfica... 45
4.2 Microscopia eletrônica de varredura... 46
4.3 Método acelerado das barras de argamassa... 47
4.5 Método dos prismas de concreto... 50
4.6 Método acelerado dos prismas de concreto
...
525 PROGRAMA EXPERIMENTAL... 54 5.1 Materiais selecionados... 55 5.1.1 Agregados... 55 5.1.1.1 Granitos... 57 5.1.1.2 Milonitos... 57 5.1.1.3 Gnaisses... 58 5.1.2 Cimento... 59 5.2 Métodos utilizados... 60 5.2.1 Análise petrográfica... 60
5.2.2 Ensaios acelerados das barras de argamassa... 61
6 RESULTADOS E DISCUSSÕES... 71
6.1 Análise petrográfica... 71
6.1.1 Amostra 1 – Ipojuca... 71
6.1.2 Amostra 2 – Moreno... 73
6.1.3 Amostra 3 – Vitória... 75
6.1.4 Amostra 4 – Jaboatão (a)... 77
6.1.5 Amostra 5 – Jaboatão (b)... 79
6.1.6 Amostra 6 – Cabo... 81
6.2 Ensaio acelerado das barras de argamassa... 83
6.2.1 Amostra 1 – Ipojuca... 83
6.2.2 Amostra 2 – Moreno... 85
6.2.3 Amostra 3 – Vitória... 87
6.2.4 Amostra 4 – Jaboatão (a)... 88
6.2.5 Amostra 5 – Jaboatão (b)... 90
6.2.6 Amostra 6 – Cabo... 91
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS... 100
7.1 Conclusões... 100
7.2 Sugestões para trabalhos futuros... 101
1
INTRODUÇÃO
1.1
Justificativa e Importância do Tema
Embora o concreto possa ser considerado um material de construção bastante utilizado mundialmente, ele está sujeito a manifestações patológicas provenientes dos seus materiais constituintes e do ambiente em que se encontra inserido. Essas manifestações patológicas comprometem a durabilidade das estruturas de concreto, interferindo na sua vida útil.
Vários são os processos de deterioração que interferem na durabilidade do concreto, podendo ser classificados como processos químicos e físicos. Dentre os processos químicos mais freqüentes, encontram-se a corrosão de armaduras, carbonatação, penetração por íons cloreto, ataque por sulfato e reação álcali-agregado (VALDUGA, 2002).
A reação álcali-agregado (RAA) é uma reação lenta que ocorre internamente à massa de concreto, formada pela reação entre alguns minerais dos agregados e hidróxidos alcalinos normalmente oriundos do cimento.
Segundo Almeida, Ribeiro e Shehata (2006), a RAA compromete as características mecânicas do concreto, podendo haver perda da resistência à tração entre 40 e 80%, queda da resistência à compressão após grandes expansões, redução do módulo de elasticidade mesmo em expansões relativamente baixas, passando a estrutura a apresentar comportamento mais dúctil.
Atualmente, existem inúmeras obras de concreto afetadas pela RAA em mais de 35 países, sendo os principais casos em que ocorrem esse tipo de problema, as obras de pavimentação de estradas e aeroportos, barragens, portos, pontes e fundações diversas (FIGUEIRÔA; ANDRADE, 2007).
Diversos casos dessa patologia foram descobertos em elementos de fundação na Região Metropolitana do Recife (RMR). Figueirôa e Andrade (2007), publicaram um estudo abordando vários casos de RAA encontrados em blocos de fundação, incluindo resultados da análise petrográfica.
Os agregados graúdos utilizados em obras na Região Metropolitana do Recife são provenientes, na sua quase totalidade, de jazidas de rochas exploradas por pedreiras próximas, tornando viável o custo referente ao transporte do material. Algumas dessas pedreiras estão localizadas nas proximidades de estruturas rochosas que sofreram a ação de esforços tectônicos, sendo este processo responsável pela reatividade dos agregados.
Diante do exposto, a prevenção é a única forma eficiente de evitar que a RAA se desenvolva, porém os danos causados são irreversíveis, ou seja, uma vez que a reação seja iniciada, não existe forma totalmente adequada para interrompê-la. As soluções de recuperação existentes para essa patologia ainda são paliativas, pois não se tem conhecimento do seu comportamento em longo prazo, embora existam vários anos de pesquisa no mundo inteiro.
Uma maneira bastante eficaz de avaliar a possibilidade de desencadeamento da RAA é através da utilização de métodos de ensaios que auxiliem nessa investigação. Um dos métodos bastante utilizados é o acelerado das barras de argamassa, que analisa a potencialidade deletéria do agregado em intervalo de tempo reduzido.
Este ensaio vem demonstrando certa inconfiabilidade, pois têm sido encontrados resultados falso-negativos (agregados classificados como inócuos pelo ensaio e que apresentaram efeito deletério em campo) e falso-positivos (agregados classificados como reativos pelo ensaio e que desempenharam bom comportamento em campo).
Diante do exposto, faz-se necessária a análise dos limites de expansão de normas do método acelerado das barras juntamente com a análise petrográfica, realizando um comparativo dos resultados desses métodos.
1.2
Histórico da Reação Álcali-agregado
A reação álcali-agregado foi descoberta na década de 30 na Califórnia, onde foram observadas fissuras e expansões em estruturas de concreto, causando preocupações ao meio técnico.
Stanton, em 1940, realizou um estudo concluindo que a causa das fissuras e expansões do concreto na Califórnia era devida a uma reação originada pelos hidróxidos alcalinos liberados pelo cimento e pela sílica proveniente de certos agregados, despertando o interesse dos pesquisadores para realizarem estudos sobre o tema (SANCHEZ, 2008).
Hansen, em 1944, elaborou a primeira teoria para explicar o mecanismo de expansão do gel, nomeada de pressão osmótica, onde hipoteticamente produtos da reação ficavam confinados dentro de uma membrana semipermeável da pasta de cimento, a qual, devido a pressões hidráulicas, causava expansão na estrutura de concreto (PAULON, 1981).
No período entre 1950 e 1960 o estudo dessa patologia foi desaquecido, retornando as pesquisas sobre o assunto de forma mais rigorosa na década de 70, quando foram surgindo relatos de anomalias dessa patologia em diversos países. Diante disso, foram surgindo várias pesquisas e realizados ensaios sobre o tema, com o objetivo de um melhor entendimento da RAA.
Desde a descoberta da RAA, foram diagnosticadas várias estruturas afetadas por esta reação no mundo, podendo ser citados como exemplos a barragem Val de La Mare (Reino Unido), a barragem de Sandouping (China), a barragem La Tuque (Canadá), a barragem Kouga (África do Sul), a barragem Chambon (França), trechos da via urbana de Johannesburg (África do Sul) e trechos da via expressa Hanshin (Japão) (SILVEIRA,1999; FOURNIER; BÉRUBÉ, 2000).
No Brasil, a CESP (Companhia Energética de São Paulo) foi a pioneira em descobrir que suas estruturas de concreto poderiam vir a apresentar a reação deletéria, tendo sido tomadas as precauções necessárias para que esta reação não se manifestasse na Usina Hidrelétrica Jupiá, nas construídas na mesma época e em todas as outras que se seguiram (KUPERMAN et al., 2005 apud SILVA, 2007).
Existem mais de 20 casos confirmados de barragens afetadas por esta reação no Brasil, dentre eles encontram-se a barragem Apolônio Sales, localizada no Rio São Francisco, na divisa entre a Bahia e Alagoas; as barragens de Billings/Pedras, situadas no Rio Capivari, estado de São Paulo; as barragens de Furnas, no Rio Grande, em Minas Gerais e a barragem Joanes, no Rio Joanes, estado da Bahia (HASPARYK; MONTEIRO; CARASEK, 2001).
Na cidade do Recife, realizou-se um extenso trabalho de investigação na Ponte Paulo Guerra detectando-se, dentre outras patologias, a deterioração agressiva em blocos de fundação, pela reação álcali-agregado (ANDRADE et al., 2006).
Através de uma maior conscientização da necessidade de inspeções em fundações de edifícios, devido principalmente ao desabamento de um edifício de 12 pavimentos na Região Metropolitana do Recife (RMR), começaram a aparecer os casos da reação deletéria em elementos de fundações, blocos e sapatas de edifícios.
Foram descobertos aproximadamente 20 casos de elementos de fundação com reação álcali-agregado na RMR com idade entre 3 e 30 anos (ANDRADE, 2006). As Figuras 1.1 e 1.2 ilustram os aspectos deletérios da reação álcali-agregado.
Figura 1.1 - Bloco de fundação de edificação residencial com 9
1.3
Objetivos
1.3.1 Objetivo geral
Este estudo tem como objetivo principal a realização de análise comparativa entre os resultados obtidos com o método petrográfico e com os limites de expansão de três normas do método acelerado das barras de argamassa, realizados com agregados do estado de Pernambuco, buscando identificar as características reativas que influenciaram no resultado das expansões das barras.
1.3.2 Objetivos específicos
O estudo tem os seguintes objetivos específicos:
• Avaliar o grau de reatividade dos agregados quanto à RAA através dos limites de expansão estabelecidos pelas normas ASTM C 1260 (2005), NBR 15577- 4 (2008) e CSA A23.2-25A (1994) do método acelerado das barras de argamassa;
Figura 1.2 - Bloco de fundação de um edifício comercial com
• Apresentar a caracterização mineralógica assim como as indicações da potencialidade reativa dos agregados obtidas com o resultado da análise petrográfica;
• Analisar as características dos minerais deletérios, identificando particularidades mineralógicas comuns entre as amostras.
1.4
Estruturação da dissertação
O trabalho está organizado em sete capítulos. O primeiro capítulo é composto pela introdução e apresenta as justificativas da pesquisa, o histórico da reação deletéria, os objetivos e a estruturação do estudo.
No segundo capítulo é realizada uma abordagem da reação álcali-agregado em que se empreende a definição da reação, seu mecanismo de expansão, assim como os tipos de reação álcali-agregado existentes.
O terceiro capítulo é composto pelos principais fatores que interferem na reação álcali-agregado, que são a concentração de hidróxidos alcalinos, agregados reativos, umidade, temperatura, tensão de confinamento e tempo.
O quarto capítulo trata dos principais métodos de investigação da reação deletéria que consta: a análise petrográfica, a microscopia eletrônica de varredura, o método acelerado das barras de argamassa, o método para avaliar combinação agregado/material cimentício, o método dos prismas de concreto e o método acelerado de prismas de concreto.
O quinto capítulo compõe-se da descrição do programa experimental e trata de informações sobre os materiais e os métodos de ensaios utilizados: a análise petrográfica e o método acelerado das barras de argamassa.
No sexto capítulo, são apresentados os resultados e discussões dos dois métodos de ensaios utilizados, bem como a realização de análise comparativa entre os ensaios.
O último capítulo traz as considerações finais, exibindo as conclusões e as sugestões para trabalhos futuros.
2
REAÇÃO ÁLCALI-AGREGADO
2.1
Definição
A reação álcali-agregado (RAA) é uma reação química que ocorre internamente em estruturas de concreto. Consiste no processo em que alguns minerais reativos dos agregados reagem com hidróxidos alcalinos normalmente provenientes do cimento, resultando na formação de gel que em presença de água se expande, podendo originar fissuras. A Figura 2.1 mostra as etapas do processo de reação, desde a formação do gel até a fissuração.
Figura 2.1 – Processo de reação álcali-agregado (FERRARIS, 2000 apud VALDUGA, 2002). Alta
Não fissura
Agregados reativos Álcalis
Formação de gel Água Permeabilidade do concreto Expansão do gel Porosidade do concreto Baixa Tensões Maior que a resistência do concreto Menor que a resistência do concreto
As reações ocorrem quando da dissolução dos álcalis na água de amassamento do concreto e, posteriormente, na água contida nos poros do concreto, gerando uma solução alcalina que reagirá com os agregados, dando início à RAA (SILVA, 2007).
A ocorrência de reação álcali-agregado no concreto pode manifestar-se através de padrões de fissuração não orientados (tipo mapa), fissuras alongadas e orientadas, exsudação do gel, deterioração do concreto causada pela fissuração e deformações, e deslocamento do concreto (KUPERMAN et al., 1997). A Figura 2.2 mostra uma face lateral da superfície do concreto de uma galeria de drenagem com exsudação de gel na fissura.
2.2
Mecanismo de Expansão
De acordo com Tiecher (2006), a RAA é um processo que envolve íons alcalinos, em especial o sódio (Na+) e o potássio (K+), derivados de frações argilosas (argila ou xisto) que provêm do cimento, íons hidroxilas (OH-) e alguns minerais que compõem os agregados. Diamond (1975) descreve que os álcalis originados do cimento podem ser solúveis e insolúveis. Os solúveis são encontrados nos sulfatos e os insolúveis nas fases sólidas presentes no clínquer, podendo todos os álcalis participarem da reação deletéria.
Figura 2.2 - Exsudação de gel na superfície do concreto de uma galeria de
A reação álcali-agregado não ocorre em minerais com fases silicosas bem cristalizadas, mas sim com as fases silicosas microcristalinas, criptocristalinas e amorfas por apresentarem maior área de contato e estrutura desordenada (GLASSER; SWAMY, 1992 apud MUNHOZ, 2007).
Estão apresentadas, através da Figura 2.3, duas formas de arranjo atômico dos minerais na fase silicosa:
a) estrutura ordenada e bem cristalizada da sílica (sílica cristalina); b) estrutura desordenada e mal cristalizada (sílica amorfa).
Quando a sílica de um mineral é bem organizada (cadeia cristalina), os íons hidroxilas e alcalinos atacam somente na superfície externa e poucos íons de sílica passam para a fase fluida pelo fato desse processo ser lento (GLASSER; KATAOKA, 1981).
Os agregados reativos presentes no concreto são cobertos pela pasta de cimento Portland e estão em contato direto com os produtos hidratados e com a solução dos poros, rica em íons dissolvidos, conforme mostra a Figura 2.4. Os compostos contendo álcalis, quando participam das reações de hidratação no concreto, formam produtos como etringita (C-S-H) e as fases aluminato, liberando íons hidroxila (OH-). Os principais álcalis responsáveis pela alcalinidade
(b) Sílica amorfa
Figura 2.3 – Arranjo atômico dos minerais na fase silicosa com estrutura cristalina e amorfa
(COLLINS et al., 2008). (a) Sílica cristalina
da solução dos poros do concreto são o sódio (Na+) e o potássio (K+), sendo que estes participam nessa etapa apenas para balancear as cargas negativas (HOBBS, 1988).
Os íons hidroxila (OH¯) presentes na solução dos poros do concreto atacam as ligações do
grupo siloxano (Si-O-Si) do agregado com fases reativas, rompendo as suas ligações e formando silanol (Si-OH), conforme mostra a Figura 2.5, sendo expressa através da equação abaixo:
Si-O-Si + H20 Si-OH…OH-Si
De acordo com Glasser e Kataoka (1981), o grupo silanol (Si-OH) formado na superfície do agregado é rompido pelos íons hidroxilas (OH¯) com liberação de água, conforme a Figura
2.6, sendo expressa através da equação a seguir:
Si-OH + OH¯ SiO¯ + H2O Sílica amorfa Solução dos poros Agregado Íons alcalinos
Figura 2.4 - Agregado na solução dos poros com fase reativa devido à estrutura
Figura 2.5 – Ruptura das ligações do grupo siloxano (Si-O-Si) pelos íons Hidroxila
(OH¯ ) (COLLINS et al., 2008).
Figura 2.6 – Ruptura do grupo silanol (Si – OH¯ ) pelos íons hidroxila (OH¯ )
(COLLINS et al., 2008). Íons alcalinos Solução dos poros Sílica amorfa Agregado Grupo silanol Solução dos poros Sílica amorfa Agregado Íons alcalinos Grupo silanol
As cargas negativas criadas pelo rompimento das ligações são balanceadas pelos íons alcalinos com cargas positivas, sódio e potássio. Os íons SiO¯ liberados, passam a ser atraídos
pelos cátions alcalinos da solução dos poros, formando um gel sílico alcalino, conforme mostram a Figura 2.7 e a equação abaixo:
Si-OH + Na++ OH¯ Si-O-Na + H2O
O gel alcalino formado absorve água e não pode se expandir livremente, porque está restringido pela pasta de cimento. O gel em expansão provoca tensões de tração (Figura 2.8) e as fissuras no concreto ocorrerão quando a pressão exercida em determinado local pela reação expansiva exceder a resistência à tração da partícula de agregado ou da pasta de cimento (FOURNIER; BERUBÉ, 2000).
Solução dos poros Íons alcalinos Sílica amorfa Agregado Gel álcali-sílica Reação com OH
Figura 2.7 – Atração do SiO¯ e cátions alcalinos formando gel sílico alcalino ao redor do
O gel pode adquirir uma composição química variável e indefinida, podendo considerar-se que um gel com maior teor de íons sódio ou potássio terá maior expansão que um gel rico em cálcio (PREZZI; MONTEIRO; SPOSITO, 1997).
2.3
Tipos de Reação Álcali-agregado
A reação álcali-agregado apresenta três classificações em função da composição mineralógica dos agregados constituintes do concreto: reação álcali-sílica, reação álcali-silicato e reação álcali-carbonato (PAULON, 1981; FURNAS, 1997).
2.3.1 Reação álcali-sílica (RAS)
É o tipo de reação álcali-agregado em que participam a sílica reativa dos agregados e os álcalis, na presença do Ca(OH)2 (hidróxido de cálcio) originado pela hidratação do cimento,
formando um gel expansivo (NBR 15577-1, 2008).
Figura 2.8 – Gel álcali-sílica exercendo pressão sobre a pasta ou agregado, por absorver
água (COLLINS et al., 2008). Solução dos poros Íons alcalinos Sílica amorfa Agregado Gel álcali-sílica Força Força Força
Segundo Paulon (1981), as rochas que desencadeiam a reação álcali-sílica podem possuir formas bem definidas de sílica metaestável (tridimita e cristobalita), sílica microcristalina amorfa (opala), certos tipos de vidros naturais (vulcânicos) e artificiais, e sílica sob a forma de quartzo criptocristalino, que é a forma mais desordenada e reativa (chert, flint e calcedônia).
Na reação álcali-sílica, normalmente há exsudação do gel na superfície do concreto, o qual é composto basicamente de sílica e álcalis. Esse tipo de reação é mais comum do que as reações álcali-silicato e álcali-carbonato, em função de que grande parte das rochas utilizadas como agregados no concreto possuem sílica (TIECHER, 2006).
2.3.2 Reação álcali-silicato (RASS)
É um tipo específico de reação álcali-sílica, em que participam os álcalis e alguns tipos de silicatos presentes em certas rochas. Os silicatos reativos mais comuns são o quartzo tensionado por processos tectônicos, e os minerais da classe dos filossilicatos presentes em ardósias, filitos, xistos, gnaisses, granulitos, quartzitos, dentre outros (NBR 15577-1, 2008).
Apresenta o mesmo mecanismo que a reação álcali-sílica, porém ocorre mais lentamente, devido ao fato dos minerais estarem mais dispersos em seu retículo cristalino. É o tipo de RAA mais encontrado no Brasil, estando as fundações (blocos e sapatas) da Região Metropolitana do Recife inclusas nesse tipo de reação (CAVALCANTI et al., 2005).
2.3.3 Reação álcali-carbonato (RAC)
De acordo com a NBR 15577-1 (2008), a RAC é o tipo de reação em que participam os álcalis e os agregados rochosos carbonáticos. A forma mais conhecida de deterioração do concreto é devida à desdolomitização da rocha e, conseqüentemente, ao enfraquecimento da ligação pasta-agregado. Não ocorre a formação do gel expansivo, mas de compostos cristalizados como brucita, carbonatos alcalinos, carbonato cálcico e silicato magnesiano. A expansão do concreto, nesse caso, é originada pela pressão de cristalização devida ao crescimento da calcita e da brucita confinadas.
Como a reação regenera os hidróxidos alcalinos, a desdolomitização terá continuidade até que a dolomita tenha reagido por completo ou a fonte de álcalis se esgote, existindo consideráveis divergências sobre o seu mecanismo (NBR 15577-1, 2008).
Silveira et al. (2006) avaliou vários agregados de origem carbonática, constituídos por pequenas quantidades de silicatos em sua composição mineralógica, deixando evidente que, além da desdolomitização desencadeada pelos carbonatos presentes nos agregados, houve a formação do gel característico da reação álcali-silicato. A reação álcali-carbonato é rara, não se tendo evidências concretas de sua ocorrência no Brasil.
3
PRINCIPAIS FATORES INTERFERENTES NA REAÇÃO
ÁLCALI-AGREGADO
Existem vários fatores que interferem no desencadeamento da reação álcali-agregado, que podem ser através das características dos materiais (agregados e cimento), das influências externas (umidade, temperatura e tensão de confinamento) e do tempo.
Segundo Lopes (2004), os fatores indispensáveis para que a RAA ocorra em estruturas de concreto são: agregados reativos, umidade suficiente e concentração de hidróxidos alcalinos suficientes na solução dos poros do concreto para reagir com o agregado. Na ausência de qualquer um desses três fatores, a reação não ocorre. Estão mostrados abaixo os principais fatores que interferem na reação deletéria.
3.1
Concentração de hidróxidos alcalinos
O cimento Portland é composto por matérias-primas como calcário, argila, gipsita e adições, e constitui o elemento principal para formação dos álcalis, sendo os álcalis por sua vez expressos na forma de óxido de potássio (K2O) e óxido do sódio (Na2O). A quantidade de
álcalis disponíveis no cimento Portland é expressa em equivalente alcalino, conforme a equação abaixo, por apresentar melhor correlação com a expansão relacionada com a reação álcali-agregado (DIAMOND, 1975 apud TIECHER, 2006).
Na2Oeq = Na2O (%)+ 0,658 K2O (%)
Folliard (2006) argumenta que, além do cimento, existem outras fontes que contribuem na alcalinidade do concreto, como a água de amassamento, adições, alguns agregados e agentes externos. Desta forma, questiona-se a atitude de se limitar somente o índice dos álcalis do cimento Portland por não ser uma maneira eficaz, tendo se adotado como parâmetro o teor de álcalis totais por metro cúbico de concreto.
De acordo com Munhoz (2007), o limite de álcalis normalmente recomendado é de 3 kg/m3 de concreto, expresso em equivalente alcalino, podendo estar na faixa de 1,8 a 3,0 kg/m3e variar dependendo do grau de reatividade do agregado e das condições de exposição da estrutura.
A NBR 15577-1 (2008) propõe que a utilização de valores limites dos álcalis do concreto estejam relacionados com a intensidade da ação preventiva, classificada em função do tipo de estrutura e das condições de exposição. Esta norma recomenda limitar o teor de álcalis do concreto, considerando-se uma intensidade de ação preventiva mínima, a valores menores que 3,0 kg/m3 de concreto, expresso em equivalente alcalino, bem como limitar o teor de álcalis do concreto a valores menores que 2,4 kg/m3 de concreto, considerando-se uma intensidade de ação preventiva moderada.
Oberholster, Van Aardt e Brandt (1983 apud HASPARYK, 1999), estabelecem os parâmetros citados abaixo para os agregados sul-africanos:
• Acima de 3,8 kg/m3 de equivalente alcalino (Na2Oeq), o agregado terá comportamento
expansivo;
• Entre 1,8 kg/m3 e 3,8 kg/m3 de equivalente alcalino (Na2Oeq), podem ocorrer
expansões;
• Abaixo de 1,8 kg/m3 de equivalente alcalino (Na2Oeq), o agregado terá
comportamento inócuo.
Figura 3.1 – Comportamento da reação em função da relação entre o teor de álcalis do
cimento e o consumo de cimento no concreto (OBERHOLSTER; VAN AARDT; BRANDT, 1983 apud HASPARYK, 1999).
3.2
Agregados reativos
Os agregados utilizados em concreto são normalmente constituídos de rochas, sendo estas formadas por aglomerados de minerais diferindo entre si, basicamente, pela composição mineralógica e pela textura (forma dos grãos minerais e o modo como estes estão dispostos). A mineralogia e a textura que caracterizam as rochas são determinadas pela sua origem geológica.
De acordo com a sua origem, as rochas podem ser classificadas em três tipos básicos, conforme detalhado por Guerra e Cunha (1994):
• Rochas ígneas – também chamadas de rochas magmáticas, são formadas pela solidificação do magma na crosta terrestre. O material fundido em partes profundas no interior da terra que denominamos magma, pode deslocar-se no interior da crosta, em direção a regiões de menor pressão. À medida que o magma se desloca para
regiões mais frias, perde calor e se consolida, cristalizando as faces minerais que constituirão as rochas ígneas. Existem vários tipos de magma que, conseqüentemente, dão origem a diferentes rochas ígneas, tais como: granito, gabros e sienitos (tipos intrusivos) e basaltos, fonolitos e riolitos (tipos extrusivos). A sílica é o principal constituinte do magma fundido a altas temperaturas e originado em grandes profundidades. As rochas ígneas são as classes de rochas predominantes na crosta terrestre, representando cerca de 80% em volume. A Figura 3.2 mostra um tipo de rocha ígnea.
Figura 3.2 – Alteração esferoidal em rocha ígnea
(RUBERTI; SZABÓ; MACHADO, 2000).
• Rochas Sedimentares – são formadas por deposição de materiais (sedimentos) provenientes da desagregação de rochas, tendo a água e o vento como principais agentes de transporte desses sedimentos. Quando os agentes perdem a capacidade de transportar, devido principalmente a uma diminuição da velocidade, ocorre a sedimentação (acúmulo de materiais nas bacias de sedimentação) que, por sua vez, são submetidos à compactação e à cimentação, dando origem às rochas sedimentares. Essas rochas representam cerca de 5% em volume da crosta terrestre, e cerca de 3/4 de sua superfície são por elas cobertos. As rochas sedimentares formam apenas uma
película superficial sobre as rochas magmáticas e metamórficas. A Figura 3.3 mostra um bloco de rocha sedimentar.
Figura 3.3 – Rocha sedimentar da região de Punta Arena, Sul do Chile
(RUBERTI; SZABÓ; MACHADO, 2000).
• Rochas Metamórficas – formam-se quando as rochas ígneas, sedimentares ou metamórficas são recristalizadas a altas temperaturas e/ou pressões, ou deformam-se pela movimentação de placas tectônicas, promovendo transformações nas suas características mineralógicas e texturais. O metamorfismo pode ser de contato, dinâmico ou regional. O metamorfismo de contato ocorre devido a transformações da rocha encaixante pelo calor emitido de um corpo ígneo intrusivo; o dinâmico ocorre devido à pressão e ao cisalhamento sobre material rochoso a grandes profundidades, dando origem a milonitos; o regional ocorre onde as novas condições de pressão e temperatura sobre o material crustal originam variedades de rochas metamórficas, tais como: ardósias, filitos micaxistos e gnaisses. As rochas metamórficas representam cerca de 15% em volume da crosta terrestre. A Figura 3.4 mostra uma rocha metamórfica com estrutura gnáissica.
Figura 3.4 – Rocha metamórfica com estrutura gnáissica e bandamento, interdigitadas por
feições ígneas (RUBERTI; SZABÓ; MACHADO, 2000).
Os agregados reativos são aqueles que, na sua composição, possuem fases mineralógicas silicosas susceptíveis à reação com os álcalis solúveis do concreto. Características como tipo, forma, tamanho, composição dos agregados e área específica dos grãos, exibem comportamentos que afetam a magnitude da reação.
De acordo com Haha (2006), tipos diferenciados de agregados utilizados em um mesmo concreto, nas mesmas condições de exposição, terão diferentes comportamentos de expansão. Estas diferenças podem ser atribuídas à distribuição e à quantidade de sílica reativa contida nos agregados.
Monteiro (2001) realizou um estudo onde analisou a textura de rochas com estruturas químicas e mineralógicas semelhantes, concluindo que as rochas que apresentaram maiores deformações resultaram em maiores expansões.
Em relação à granulometria dos agregados, a diminuição das partículas tende, geralmente, a aumentar a reação devido ao aumento da superfície específica do agregado (FOURNIER; BERUBÉ, 2000).
Segundo Vivian (1951 apud SABBAG, 2003), a presença de agregados reativos de dimensão muito pequena (< 0,050 mm) provoca uma reação antes que o gel tenha se formado. Devido à grande superfície específica, grandes quantidades de materiais finos fazem com que a concentração de álcalis seja rapidamente reduzida, impedindo a reação secundária nos agregados maiores, a qual provocaria a formação do gel expansivo.
Baseado em ensaios realizados, Andriolo (2006) mostra através da Figura 3.5 a influência dos finos (< 0,075 mm), utilizando-se areia artificial (pó-de-pedra). Constatou-se que houve mitigação das expansões com o aumento do teor de finos. Diante disso, o autor incentiva a otimização de agregados com granulometria inferior a 0,075 mm produzidos a partir dos próprios agregados reativos, objetivando inibir as reações expansivas.
A severidade da expansão devida à RAS irá aumentar à medida em que a proporção de sílica reativa na quantidade total de agregado da mistura aumentar, até atingir o “teor péssimo”, para agregados que apresentem este tipo de comportamento. A partir do valor denominado de “teor péssimo”, um aumento do teor de sílica acarretará uma diminuição da expansão.
Figura 3.5 – Influência do teor de finos na expansão devido à reação Álcali-agregado
A Figura 3.6 ilustra um modelo desse comportamento. Na região “A” da curva ocorre reação sem ocorrência de fissuração. Na região “B”, existe excesso de álcalis, ocorrendo a reação expansiva do concreto no estado endurecido, gerando fissuração. Na região denominada “C”, a reação ainda ocorre gerando fissuração, no entanto, o teor de sílica supera o de álcalis. Na região “D” o excesso de sílica consome rapidamente os álcalis reduzindo sua concentração ou consumindo-os completamente sem causar danos (HASPARYK, 1999).
Outro fator que aumenta o poder de reação dos agregados são as alterações em rochas que causam distorções resultantes de deformações tectônicas. As rochas contendo quartzo decorrente de processos tectônicos, especificamente o de cisalhamento, causam a deformação do cristal desse mineral que ocorre em quatro estágios: a extinção ondulante, lamelas de deformação, desenvolvimento de subgrãos e recristalização (DORADO, 1989 apud HASPARYK, 1999).
O Quadro 3.1 apresenta uma relação de rochas e minerais susceptíveis ao desenvolvimento da reação com álcalis do concreto.
Minerais reativos com cristalinidade baixa ou sílica metaestável e vidros vulcânicos
Rochas de ocorrência Material reativo
Rochas sedimentares Rochas vulcânicas
Opala, tridimita ou cristobalita, vidro vulcânico ácido,
intermediário ou básico
Rochas sedimentares contendo opala, como folhelho, arenito, rochas silicificadas, alguns cherts e flints e diatomito
Rochas vulcânicas com vidro ou vitrofíricas: rochas ácidas, intermediárias ou básicas como riolito, dacito, latito, andesito, tufo, perlita, obsidiana e todas as variedades contendo uma matriz vítrea, alguns basaltos
Rochas reativas contendo quartzo
Material reativo Tipos de rocha
Calcedônia, quartzo
microcristalino e criptocristalino
Quartzo macrogranular, com o retículo cristalino deformado, rico em inclusões, intensamente fraturado, com quartzo
microcristalino no contato do grão
Chert, flint, veio de quartzo, quartzito, quartzo arenito, arenito, quartzoso, calcário silicoso
Rochas vulcânicas com vidro devitrificado micro ou criptocristalino
Rochas micro ou macrogranulares que contenham quartzo micro ou criptocristalino ou quantidade significativa de quartzo moderadamente ou intensamente tensionado:
• rochas ígneas: granito,granodiorito e charnockito
• rochas sedimentares: arenito, grauvaca, siltito, argilito, folhelho, calcário silicoso, arenito e arcóseo
• rochas metamórficas: gnaisse, quartzo-mica xisto, quartzito, filito, ardósia
Em ordem decrescente de reatividade encontram-se os minerais com estrutura amorfa (opala e vidro), microcristalina a criptocristalina (calcedônia), metaestável (tridimita e cristobalita) e cristalina (quartzo, feldspato deformados e filossilicatos alterados) (KIHARA, 1993).
Quadro 3.1 – Relação de rochas e minerais susceptíveis ao desenvolvimento da reação
3.3
Umidade
O processo de expansão do gel da RAA é desencadeado em função da presença da umidade no concreto. Estruturas com sistema de drenagem deficiente, obras hidráulicas como barragens e concreto em contato com terrenos úmidos, são mais susceptíveis à reação álcali-agregado.
Silveira (1997) relata que, em concretos massa, a umidade relativa se mantém no seu interior a níveis constantes, mesmo para estruturas não submetidas à presença constante d’água, pois a mistura dos materiais para proporcionar a moldabilidade do concreto é realizada muitas vezes com água em excesso.
Em obras situadas na RMR pôde ser observada uma relação direta entre a intensidade do quadro fissuratório e a umidade do solo. Nas fundações em que o solo se apresentava mais úmido, em função do lençol freático estar localizado mais próximo da superfície, existia uma maior intensidade de fissuração (PECCHIO et al., 2006).
Figueirôa e Andrade (2007) afirmam que a umidade relativa necessária para ocorrer a RAA em um elemento de concreto deve ser superior a 80%. No estudo realizado por Kihara (1986), constatou-se que a umidade relativa acima de 85% tende a ocasionar expansão, embora o gel possa ser formado em umidades mais baixas.
Valduga et al. (2005) realizou um estudo para verificar, dentre outros fatores, a influência da relação a/c na reação álcali-agregado, conforme Figura 3.7. Quando fixada a consistência e variadas significativamente as relações a/c, os resultados indicaram que quanto menor a relação a/c, maior será a expansão. Esta afirmativa pode ser decorrente da matriz menos porosa de argamassas com baixa relação a/c, o que resulta em menos espaço para expansão dos produtos de reação. Quando o ensaio é prolongado, atingindo maiores idades, nota-se que em torno dos 60 dias as expansões tendem a estabilizar-se.
Figura 3.7 – Expansões das barras em diferentes relações a/c. (VALDUGA et al., 2005).
A migração dos álcalis ocorre pelo gradiente de umidade e pela diferença de potencial elétrico, sendo o deslocamento dos álcalis originados das partes úmidas para as partes secas do concreto (XU; HOOTON, 1993).
3.4
Temperatura
O nível elevado de calor no ambiente provoca aceleração das reações químicas nas estruturas de concreto, constatando-se que na medida em que se eleva a temperatura, aumentam as expansões provenientes da reação álcali-agregado (PAULON, 1981). De acordo com Kihara (1986), as altas temperaturas aceleram a hidratação do cimento, intensificando a agressividade das soluções alcalinas, tornando as reações mais rápidas.
Swamy e Al-Alasi (1988) realizaram um estudo onde avaliaram a influência da temperatura na RAA e verificaram que os concretos curados à 38 °C apresentaram considerável redução da resistência à compressão no período de um ano, além de apresentarem expansão e fissuração bastante severas. As amostras curadas à 20 °C apresentaram poucas evidências de deterioração e aumento contínuo da resistência à compressão.
No estudo realizado por Shayan e Xu (2004apud SILVA, 2007) foi verificada a influência da temperatura de cura em prismas de concreto fabricados com cimento de alto teor de álcalis (1,4% em Na2Oeq) e agregado reativo, conforme a Figura 3.8. Esta figura mostra que quanto
maior for a temperatura de cura, maior será a expansão.
Figura 3.8 - Expansão x temperatura de cura em prismas de concreto
(SHAYAN; XU, 2004 apud SILVA, 2007).
De acordo com Fournier e Berubé (2000), quanto maior for a temperatura ambiente, menor será a umidade relativa necessária para a ocorrência da reação deletéria.
3.5
Tensão de confinamento
As expansões e danos devidos à RAA são bastante influenciados pelo confinamento e pela presença de tensões aplicadas à massa de concreto. Caso as tensões de compressão estejam bem distribuídas, podem ocasionar redução da expansão na direção dos esforços da compressão, evitando-se, assim, a abertura de fissuras e reduzindo-se a circulação de água no interior do concreto (BULLETIN, 1992).
A reação álcali-agregado causa tensões de tração nos elementos de concreto da ordem de 2 a 8,6 MPa, numa média em torno de 5 MPa. Forças externas que gerem tensões de compressão
nos elementos deteriorados acima dos valores citados, podem impedir ou mitigar a expansão (FOURNIER; BERUBÉ, 2000).
Fornier e Berubé (2000) relatam que a deterioração da RAA em elementos estruturais de concreto pode ser restringida através de cintamento (confinamento), sendo este capaz de controlar de forma satisfatória a reação expansiva e a conseqüente formação de fissuras.
Em barragens de gravidade, as expansões são maiores no topo, pelo fato das estruturas neste local estarem menos confinadas do que na base. Estas tensões de confinamento são produzidas ou aumentadas pela própria expansão devido à existência do confinamento atuando na redução e, em alguns casos, até na paralisação da expansão (SILVA, 2007).
As tensões de confinamento, na realidade, não bloqueiam a atuação da reação, apenas a pressão exercida pelo gel pode não ser suficiente para vencer a pressão aplicada (FIGUEIRÔA; ANDRADE, 2007).
3.6
Tempo
O fator tempo não é determinante para a ocorrência da reação álcali-agregado. O surgimento da RAA não ocorre em um determinado tempo específico, podendo eventualmente parar quando todos os minerais reativos presentes nos agregados tiverem sido consumidos (HASPARYK, 1999).
Existiram casos de expansão deletéria que foram observados em poucos anos, sendo exemplos disso a Usina Apolônio Sales (situada entre os estados da Bahia e Alagoas) e uma edificação residencial (situada na cidade de Recife), ambas com 3 anos após construídas; outras observações também ocorreram após vários anos, como a ponte Paulo Guerra e um edifício residencial (respectivamente, 29 e 25 anos de construídos), ambos situados na cidade de Recife.
4
MÉTODOS DE INVESTIGAÇÃO DA REAÇÃO ÁLCALI-AGREGADO
Existem diversos métodos normatizados que auxiliam a avaliação do comportamento do agregado e da combinação cimento-agregado quanto à reatividade potencial e, em casos potencialmente reativos, direcionam as condições adequadas de uso desses agregados a fim de se evitar o desencadeamento da reação expansiva com o passar do tempo. Estruturas de concreto que já apresentam indícios da RAA também podem ser investigadas para verificar o seu grau de deterioração.
Cada método de ensaio relacionado com a RAA possui vantagens e desvantagens assim como limitações. Alguns destes métodos devem ser investigados em combinação com outros, a fim de se obter maiores evidências sobre o desempenho do agregado no que se refere à sua reatividade, sendo abordados abaixo os principais métodos.
4.1
Análise petrográfica
A análise petrográfica, também chamada de método petrográfico, é preconizada pela NBR 15577-3 (2008) e ASTM C 295 (2003) para o agregado, bem como pela ASTM C 856 (2004) para o concreto.
Este método envolve tanto observações macroscópicas, quanto análises através do microscópio estereoscópio e óptico. O resultado do método petrográfico das rochas fornece informações, tais como: composição mineralógica, arranjo estrutural dos componentes, forma, textura, granulação, além de chamar a atenção para a presença de minerais reativos e fases deletérias quanto à RAA.
Em relação aos concretos, além de classificar os agregados, a análise petrográfica determina a ocorrência de feições ou características provenientes da reação álcali-agregado, tais como gel nos poros, bordas de reação ao redor dos agregados e presença de microfissuras.
No caso de quartzo tensionado com estrutura cristalina deformada, a lâmina colocada no microscópio óptico sobre luz polarizada mostra o grão variando de coloração clara até escura,
conforme se realiza o giro da plataforma do equipamento. O ângulo necessário para completar a extinção (mudança de claro para escuro) é conhecido como ângulo de extinção ondulante, pois se considera reativo o quartzo com ângulo de extinção ondulante com valores superiores a 15° (FIGUEIRÔA; ANDRADE, 2007).
Além da extinção ondulante, outras características microestruturais do quartzo devem ser consideradas para a avaliação da deformação e conseqüente reatividade das rochas utilizadas como agregado tais como banda de deformação, desenvolvimento de subgrão, recristalização, dentre outros.
A NBR 15577-3 (2008) menciona quantificação do ângulo de extinção ondulante para rochas que apresentam quartzo maior que 0,15 mm em proporção igual ou superior a 5% do total da rocha. A referida norma recomenda a estimativa da quantidade de quartzo microgranular com dimensão menor que 0,15 mm.
De acordo com Paulon (1981), faz-se necessário que a análise petrográfica seja realizada por um profissional com experiência no fenômeno, para melhor identificação dos minerais que possam causar a reação deletéria.
O método petrográfico caracteriza o agregado e fornece indicações sobre seu potencial reativo, classificando o agregado em potencialmente inócuo e potencialmente reativo. Este método de ensaio isolado não é suficiente para avaliar a expansão potencial deletéria devida à RAA, necessitando da utilização de outros métodos de ensaios a fim de se comprovar os resultados.
4.2
Microscopia eletrônica de varredura
A microscopia eletrônica de varredura (MEV) é um método que vem sendo bastante utilizado na investigação da reação álcali-agregado. Amostras de concreto ou argamassa que foram submetidas a ensaios para se avaliar a reatividade potencial do agregado ou as amostras oriundas de obras com indícios de expansão, podem ser avaliadas por este método.
As amostras são previamente submetidas à análise visual através da lupa estereoscópica para identificação dos pontos que serão analisados. Em seguida, as amostras são analisadas através
do microscópio eletrônico de varredura utilizando-se em conjunto a técnica de espectrometria de energia dispersiva, que possibilita uma correlação entre as diversas morfologias características dos produtos encontrados e seus componentes químicos (HASPARYK, 1999).
Segundo Hasparyk (1999) o gel produto da reação pode ser analisado no MEV através de bordas nas interfaces da pasta/agregado em amostras polidas, dos poros das amostras, bem como dispersos na argamassa e depositados nas fissuras dos agregados. Com as amostras polidas é possível observar-se imagens com controle de tonalidades e obtenção da composição química.
A microscopia eletrônica de varredura permite análises em grandes ampliações, possibilitando a identificação precisa da morfologia dos produtos de RAA, onde pode-se verificar a deterioração da estrutura devida à concentração dos produtos e classificar-se os vários tipos de géis formados.
4.3
Método Acelerado das Barras de Argamassa
Anteriormente à elaboração do método acelerado das barras de argamassa, o método mais utilizado para a determinação da reatividade de agregados com os álcalis, no que se refere à reação álcali-sílica, era o ensaio das barras de argamassa.
O método das barras de argamassa apresentava algumas vantagens em relação a outros, tais como o método químico e a análise petrográfica, mas possuía limitações relativas, notadamente pelo tempo excessivamente longo para a obtenção de respostas de agregados quartzosos de reatividade lenta. Suas limitações serviram como motivação para o desenvolvimento de um novo método de ensaio.
Nos testes de métodos de ensaios em que barras foram preparadas de acordo com o método americano das barras de argamassa, mas estocadas a 80 ºC em solução de NaOH a 1N, encontraram-se resultados promissores. Através da continuidade de investigações, pôde-se estabelecer um limite máximo de 0,11% aos 12 dias de cura alcalina em hidróxido de sódio (NaOH) para definir-se um agregado inócuo, sendo considerado deletério o valor acima desse limite.
Este método ficou conhecido como método acelerado da África do Sul ou método NBRI, desenvolvido por Oberholster e Davies (1986). O método acelerado da África do Sul foi, posteriormente, avaliado por investigadores e normatizado em 1994, tendo esta norma sido submetida a várias modificações até a versão atual que é a ASTM C 1260 (2005).
O método acelerado das barras de argamassa (ASTM C 1260, 2005) é atualmente o mais utilizado no Brasil e no mundo por necessitar de menor espaço em laboratório e investigar de maneira rápida o comportamento de um agregado quanto à RAA. O referido método é preconizado por várias normas, dentre elas encontram-se a ASTM C 1260 (2005), americana; a NBR 15577-4 (2008), brasileira; e a CSA A23.2-25A (1994), canadense.
Este método analisa a reação álcali-agregado por meio de estudo da variação de comprimento de barras de argamassa moldadas com agregados e cimentos. Os agregados devem se enquadrar em frações pré-estabelecidas por norma na forma de areia (natural ou artificial) para serem testados.
Em relação ao tipo de cimento a ser usado, a norma americana não fixa o teor de álcalis, mencionando que este tem um efeito mínimo ou desprezível nas expansões da reação. Já as normas canadense e brasileira fixam o teor de álcalis em (0,90 ± 0,10)%. Adicionalmente, a norma americana limita a expansibilidade do cimento em autoclave, ASTM C 150 (2005), em 0,20% de forma a não se ter expansões adicionais geradas pelo óxido de magnésio (MgO) e/ou óxido de cálcio (CaO) e estas não serem confundidas com a expansão da RAA.
As barras deverão ser moldadas nas dimensões (25 x 25 x 285) mm, e após a desmoldagem, imersas em água a 80 ºC, realizando-se a primeira leitura após 24 horas. Em seguida, deve-se submergi-las a uma concentração de hidróxido de sódio (NaOH 1N) a 80 ºC, realizando-se leituras periódicas do comprimento das barras através do relógio comparador.
Em muitos países, pesquisadores estendem as medições dos ensaios até os 28 dias a partir da leitura inicial, mantendo os limites propostos em norma, a fim de serem detectados os agregados com reatividade lenta.
No Brasil, existem estudos que comprovam esse comportamento, como por exemplo, um estudo realizado por Andrade et al. (2006) utilizando-se agregado de obra de concreto da
