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A INFLUÊNCIA DO METACAULIM NAS PROPRIEDADES DO CONC RETO
UNIVERSIDADE DA AMAZÔNIA
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
FELIPE COSTA MODA BELTRÃO JHEYSON CARLOS ZENAIDE
A INFLUÊNCIA DO METACAULIM NAS PROPRIEDADES DO CONC RETO
UNIVERSIDADE DA AMAZÔNIA - UNAMA
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
BELÉM - PA 2010
A INFLUÊNCIA DO METACAULIM NAS PROPRIEDADES DO CONC RETO
UNAMA
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
1
FELIPE COSTA MODA BELTRÃO JHEYSON CARLOS ZENAIDE
A INFLUÊNCIA DO METACAULIM NAS PROPRIEDADES DO CONC RETO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como
exigência para a obtenção do Título de Engenheiro
Civil, submetido à banca examinadora da Universidade
da Amazônia, do Centro de Ciências Exatas e
Tecnologia, elaborado sob a orientação do Professor
M.Sc. José Zacarias Rodrigues da Silva Júnior.
UNAMA / CCET
BELÉM - PA 2010
2
FELIPE COSTA MODA BELTRÃO JHEYSON CARLOS ZENAIDE
Trabalho de conclusão de curso submetido à Coordenação do Curso de Engenharia Civil do
Centro de Ciências Exatas e Tecnologia, da Universidade da Amazônia, como parte dos
requisitos para a obtenção do título de Engenheiro Civil.
Banca Examinadora
________________________________________ Engenheiro José Zacarias Rodrigues da Silva Júnior, Mestre
Professor e Orientador - CCET-UNAMA
________________________________________ Engenheiro Wandemyr Mata dos Santos Filho, Mestre
Professor - CCET-UNAMA
________________________________________ Engenheiro Archimino Cardoso de Athayde Neto, Mestre
Escritório de Cálculo Estrutural A. C. Athayde
UNAMA / CCET
BELÉM - PA 2010
3
AGRADECIMENTOS
Agradecemos primeiro a Deus, que nos concedeu a vida e conhecimento para trilhar
por cinco anos esta jornada, não deixando que desviássemos de nossos princípios e objetivos.
Aos nossos pais por nos estimular a ter pulso firme, caráter, não desistir e enfrentar
nossos problemas de frente, além de todo o conhecimento partilhado conosco ao longo dos
anos.
As nossas mães pelos momentos de conforto, carinho, atenção, orientação e dedicação
em nossas criações, além de todos os ensinamentos.
Aos nossos familiares pelo apoio e incentivo, sempre nos encorajando a seguir em
frente e não desistir.
A UNAMA e todos os professores do Curso de Engenharia Civil, em especial ao
nosso orientador Prof. M.Sc. José Zacarias Rodrigues da Silva Junior e ao Coordenador do
Curso Professor Selênio Feio da Silva.
As empresas Metacaulim do Brasil Ltda. e Anchortec Ltda.
Aos amigos e colegas universitários pelos imprescindíveis e necessários momentos de
descontração, estimulo e colaboração mútua, uma vez que muitos de nós enfrentamos a
mesma luta.
Aos responsáveis técnicos pelos laboratórios de Materiais de Construção da
Universidade da Amazônia por toda colaboração e tempo disponibilizado para nos dar apoio
durante os experimentos.
4
"Nem tudo que se enfrenta pode ser
modificado mas nada pode ser modificado até
que seja enfrentado"
Albert Einstein
5
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 13
2 OBJETIVO ....................................................................................................................... 14
3 JUSTIFICATIVA ............................................................................................................. 14
4 MATERIAIS .................................................................................................................... 14
4.1 CIMENTO PORTLAND ........................................................................................... 15
4.1.2 Classificação dos tipos de cimento portland ...................................................... 17
4.2 ADITIVOS QUÍMICOS ............................................................................................ 19
4.3 AGREGADOS ........................................................................................................... 24
4.4 ÁGUA ....................................................................................................................... 25
5 O METACAULIM ......................................................................................................... 26
5.1 VISÃO DE SUSTENTABILIDADE ......................................................................... 26
5.2 BENEFÍCIOS ............................................................................................................ 27
5.3 COMPOSIÇÃO ......................................................................................................... 27
5.4 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS ................................................................................... 28
5.5 MECANISMO DE AÇÃO ........................................................................................ 29
6 O CONCRETO ................................................................................................................. 30
6.1 PROPRIEDADES ...................................................................................................... 33
6.1.1 Resistência e Porosidade .................................................................................... 33
6.1.2 Permeabilidade ................................................................................................... 35
6.1.3 Durabilidade ....................................................................................................... 36
6.1.4 Patologias ........................................................................................................... 44
7 PROGRAMA DE EXPERIMENTOS .............................................................................. 49
7.1 MATERIAIS .............................................................................................................. 50
7.2 PROCEDIMENTOS .................................................................................................. 52
6
8 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS ................................................. 53
8.1 RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO AXIAL E TRAÇÃO POR COMPRESSÃO
DIAMETRAL ....................................................................................................................... 53
8.2 ANÁLISE DOS RESULTADOS DE COMPRESSÃO AXIAL ............................... 55
8.3 ANÁLISE DOS RESULTADOS DA TRAÇÃO POR COMPRESSÃO
DIAMETRAL ....................................................................................................................... 56
8.4 ABSORÇÃO DE ÁGUA POR CAPILARIDADE ................................................... 56
9 CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................................................................... 57
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................... 59
ANEXOS .................................................................................................................................. 63
VII
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Representação diagramática da zona de transição e da matriz de pasta de cimento no
concreto. 15
Figura 2: Estrutura dos aditivos plastificantes típicos. 20
Figura 3: Representação da força de repulsão nas partículas de cimento dos aditivos
plastificantes. 21
Figura 4: Ilustração dos mecanismos de estabilização de suspensões: (a) estabilização
eletrostática, (b) estabilização estérica e (c) estabilização eletroestérica. 22
Figura 5: Rompimento de corpo de prova, sem Metacaulim. 27
Figura 6: Rompimento de corpo de prova, com Metacaulim. 27
Figura 7: Proveta contendo CP II-F 32. 29
Figura 8: Proveta contendo Metacaulim HP. 29
Figura 9: Proveta contendo água. 29
Figura 10: Seção polida de um corpo-de-prova de concreto. 30
Figura 11: Ruptura de corpos de prova. 32
Figura 12: Variação na porosidade capilar com relações água/cimento e graus de hidratação
diferentes. 34
Figura 13: Influencia da cura úmida sobre a resistência do concreto. 35
Figura 14: Regra de Sitter - custo relativo da intervenção. 40
Figura 15: Conceituação de vida útil das estruturas de concreto tomando-se por referência o
fenômeno de corrosão das armaduras. 41
Figura 16: Ábaco para obtenção da espessura de cobrimento às armaduras em função do
ambiente onde predomina o gás carbônico. 43
VIII
Figura 17: Ábaco para obtenção da espessura de cobrimento às armaduras em função do
ambiente onde predomina exposição à zona de respingos de maré. 44
Figura 18: Ataque por sulfato no concreto ma Barrage, de Fort Peck, 1971. 46
Figura 19: Carbonatação em corpo de concreto armado (viga). 48
Figura 20: Ataque por cloretos. 49
Figura 21: Laboratório de materiais de construção. 49
Figura 22: Aditivo Superplastificante Structuro 105 da Anchortec Ltda. 51
Figura 23: Prensa Hidráulica EMIC. 53
Figura 24: Prensa executando ensaio de resistência à compressão axial. 53
Figura 25: Prensa executando ensaio de resistência à tração por compressão diametral. 53
Figura 26: Resistência à compressão axial aos 7 e 28 dias de idade. 54
Figura 27: Resistência à tração por compressão diametral aos 7 e 28 dias de idade. 54
Figura 28: Ensaio de absorção de água por capilaridade. 56
Figura 29: Gráfico da redução na absorção. 57
IX
LISTA DE TABELAS
Tabela 01: Principais compostos do cimento Portland. 16
Tabela 02: Limites de teores de compostos para cimentos da ASTM C150. 17
Tabela 03: Composição dos diferentes tipos de cimentos. 19
Tabela 04: Análise dos compostos do Metacaulim HP. 28
Tabela 05: Massa dos materiais em comparação ao Metacaulim HP. 29
Tabela 06: Caracterização física do Metacaulim HP. 29
Tabela 07: Classes de agressividade ambiental. 38
Tabela 08: Classes de agressividade do ambiente em função das condições de exposição. 38
Tabela 09: Traços utilizados no programa de experimento. 50
Tabela 10: Caracterização do seixo rolado. 51
Tabela 11: Caracterização da areia fina. 52
Tabela 12: Resistência à compressão axial aos 7 e 28 dias de idade. 54
Tabela 13: Resistência à tração por compressão axial aos 7 e 28 dias de idade. 54
Tabela 14: Resultados do ensaio de absorção de água por capilaridade. 57
X
LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIGLAS
ABCP - Associação Brasileira do Cimento Portland.
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas.
A/C - Relação água/cimento.
ACI - American Concrete Institute (Instituto Americano do Concreto).
ARI - Alta resistência inicial.
ASTM - American Society for Testing And Materials (Associação Americana para Testes e
Materiais).
CP - Cimento Portland.
CPB - Cimento Portland Branco.
CPP - Cimento para poços petrolíferos.
EPA - United States Environmental Protection Agency (Agência de Proteção Ambiental dos
Estados Unidos).
NBR - Norma Brasileira.
UR - Umidade Relativa.
11
RESUMO
Este Trabalho de Conclusão de Curso apresenta os resultados do estudo sobre alguns
dos benefícios proporcionados pela utilização da adição mineral Metacaulim na composição
do concreto de cimento Portland, ou seja, as modificações nas propriedades do mesmo,
especificamente na resistência mecânica e redução da permeabilidade, além de algumas
análises sobre o impacto positivo gerado devido essas melhorias na durabilidade do concreto,
na sustentabilidade e economia de custos.
O estudo visa a exposição do mesmo como uma importante ferramenta na busca por
uma maior qualidade do concreto, no prolongamento da vida útil das estruturas, adquirida
através do combate à diversas patologias, característica proporcionada pela adição.
Palavras chave: Metacaulim, Durabilidade e Resistência do Concreto, Sustentabilidade.
12
ABSTRACT
This work presents a study regarding a few benefits provided by using the mineral
addition Metacaulim in the composition of Portland cement concretes, in other words, the
modifications in the properties, specifically in the mechanical strength and absorption
reduction, and a few observations regarding the positive impacts generated in cost saving and
sustainability due this durability increase.
This study try to expose the addition as a important tool in the search of a better
concrete quality, in the prolongation of its life cicle in structures, acquired by fighting some
pathologies, a feature provided by the addition.
Keywords: Metacaulim, Concrete Durability and Strength, Sustainability.
13
1 INTRODUÇÃO
Quando falamos de concreto, é essencial citar a importância da sua principal matéria
prima, o cimento. Estima-se que o consumo atual de concreto no mundo seja da ordem de 11
bilhões de toneladas métricas ano (MEHTA & MONTEIRO, 2008). Seu uso intenso na
indústria da construção civil faz com que o cimento seja o segundo material mais utilizado
pela humanidade, perdendo a primeira posição apenas para água. Além de ser um dos
ingredientes chave para concretos de cimento Portland, por ser uma das matérias prima mais
utilizada no mundo, seu preço é regulado pelas demandas do mercado internacional, portanto
o cimento é o que denominamos de commodity.
Dado essa sua importância, o concreto é foco de constantes pesquisas para aperfeiçoar
ou adicionar características a ele. Hoje temos uma diversidade de concretos que refletem esse
investimento em pesquisas, que apesar de não fugir da convencional mistura de cimento, água
e agregado, ao incluir adições minerais e aditivos químicos, suas propriedades são
modificadas de forma a atender as necessidades de projeto.
O cimento Portland pode ser considerado como um ingrediente universal para
estruturas de concreto, sendo um dos materiais da construção civil que permite engenheiros e
arquitetos manipularem suas propriedades de acordo com as necessidades do projeto. Quando
se faz a escolha de um sistema estrutural em concreto, é necessário especificar algumas
variáveis para assegurar seu bom desempenho, como resistência mecânica à compressão e
tração e resistência a agentes agressivos químicos presentes em certos meios. Essas
características fazem parte de uma fórmula complexa que desde o início se faz necessário a
presença de um rígido controle tecnológico e uso de aditivos químicos e adições minerais para
auxiliar o construtor, onde podemos destacar o Metacaulim, foco específico deste trabalho de
conclusão de curso.
A fabricação do cimento é uma das maiores fontes de gases poluentes que contribuem
para o efeito estufa, atrás apenas da queima de combustíveis fósseis e gasosos. De acordo com
dados do EPA1, estima-se que 3,4% da emissão global de ��� tenha como responsável a
produção do clínquer e outras atividades industriais relacionadas à produção do cimento,
Com a atual preocupação mundial a respeito do clima, é essencial citarmos o papel do
Metacaulim na sustentabilidade. Substituindo parte do traço correspondente ao cimento
1 EPA - United States Environmental Protection Agency (Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos).
14
utilizado na produção do concreto pelo Metacaulim, diminuímos a demanda pelo cimento e
consequentemente a emissão de ���, pois sua composição é à base de sílica ������ e alumina
�����, diferente do cimento que tem como base compostos de cálcio constituídos por
carbono que liberam ��� na sua produção.
A proposta de substituir uma porcentagem do traço que corresponde ao cimento pela
adição mineral Metacaulim também visa melhorar algumas propriedades do concreto, as quais
podemos citar o aumento na resistência mecânica, resistência a sulfatos, inibição de reações
álcali-agregado e redução da permeabilidade. Aumentando a resistência do concreto, permite-
se reduzir seções de lajes, vigas e pilares ou o consumo de aço, promovendo economia de
materiais e custos.
2 OBJETIVO
Fazendo o uso de materiais comuns na produção do concreto nas obras da região
metropolitana de Belém, demonstrar alguns benefícios da adição mineral Metacaulim HP para
concretos de cimento Portland. Através de experimentos em diferentes dosagens da adição,
verificar as melhorias que ela proporciona nas propriedades do concreto, analisando os
resultados de acordo com a literatura disponível e sua colaboração na economia de custos e
sustentabilidade.
3 JUSTIFICATIVA
O Metacaulim HP é produto com pouco tempo de mercado no Brasil e novo nas obras
da região metropolitana de Belém. O presente trabalho visa esclarecer e melhor difundir a
utilidade benéfica desta adição mineral, independente do tamanho e tipo de empreendimento
que utilize concreto de cimento Portland.
4 MATERIAIS
Neste capítulo é abordado os materiais utilizados para a confecção do concreto de
cimento Portland. É essencial conhecê-los para compreender os mecanismos que levam a
mistura de água, cimento e agregados resultar em um corpo sólido heterogêneo com novas
característica físicas e químicas. Outros materiais como adições minerais e aditivos químicos
15
também são abordados, pois estes possuem igual importância na confecção do concreto,
permitindo modificar algumas de suas características para atender necessidades especiais.
4.1 CIMENTO PORTLAND
Produzido em instalações industriais de grande porte, através de processos de extração
da matéria prima, britagem, moedura e mistura, queima, e moedura do clínquer (BAUER,
2000), PETRUCCI (1987) define cimento Portland como um aglomerante hidráulico de
"material pulverulento, constituído de silicatos e aluminatos de cálcio. Esses compostos
complexos, ao serem misturados com água, hidratam-se e produzem o endurecimento da
massa, que pode oferecer elevada resistência".
A definição de aglomerante hidráulico para o cimento Portland é devido a sua
característica de reagir na presença da água, pois ele sozinho não possui a capacidade de
aglomerar com a areia e agregado graúdo para a composição da argamassa para concretos.
Poucas horas iniciada sua hidratação, dá-se início a formação de cristais de
sulfoaluminato de cálcio hidratado ou "etringita" (� − � − �̅ − ) e após algumas horas
formam-se grandes cristais prismáticos de hidróxido de cálcio (���� �� ou � − ) e
pequenos cristais fibrosos de silicato de cálcio hidratado (������� ∙ �� ou � − � − )
(ISERHARD, 2000). Estes componentes estão representados na figura 1.
Figura 1: Representação diagramática da zona de transição e da matriz de pasta de cimento no concreto (MEHTA & MONTEIRO, 1994).
16
De acordo com NEVILLE (1997), o cimento Portland é composto de uma série de
matérias primas que consistem principalmente de calcário �����, sílica ������, alumina
������� e óxido de ferro �������, representados na tabela 01.
Tabela 01 - Principais compostos do cimento Portland.
Nome do Composto Óxido Abreviação Composição em Óxidos Abreviação Silicato tricálcico ��� C 3���. ���� �3� Silicato bicálcico ���� S 2���. ���� �2� Aluminato tricálcico ��� A 3���. ��� �3� Ferroaluminato tetracálcico � �� F 4���. ���. � �� �4��
BAUER (2000) e MEHTA et al. (1994) descrevem o papel desempenhado por cada
um dos quatro compostos:
Silicato tricálcico �����: o maior responsável pela resistência do concreto em todas
as idades, especialmente nos primeiros 28 dias de cura, sendo o segundo com
responsabilidade pelo tempo de pega do cimento.
Silicato bicálcico �����: tem papel importante no ganho de resistência em idades
mais avançadas, em um ano ou mais devido sua lenta velocidade e baixo calor de hidratação.
Aluminato tricálcico �����: tem papel importante na rápida evolução da resistência
nos primeiros dias de cura e muito contribuí no calor de hidratação devido sua rápida
velocidade de pega. NEVILLE (1997) questiona sua colaboração na resistência da pasta de
cimento que apesar de nos três primeiros dias seja significativamente relevante, seu papel é
controverso por causar regressão em idades mais avançadas.
Ferroaluminato tetracálcico ��"���: não possui contribuição apreciável na
resistência do cimento, mas tem papel importante em facilitar a produção comercial do
cimento. Assim como o aluminato tricálcico, NEVILLE (1997) também questiona seu papel
no desenvolvimento da resistência da pasta de cimento.
BAUER (2000) e NEVILLE (1997) citam outros compostos secundários de menor
importância, como certa proporção de magnésia �#$��, uma pequena porcentagem de
anidrido sulfúrico ���� adicionado após a calcinação para retardar o tempo de pega, óxido
de sódio �%����, óxido de potássio �&���, óxido de titânio �'����, óxido de manganês
�#(��� e algumas impurezas.
17
4.1.2 Classificação dos tipos de cimento portland
A escolha do tipo de cimento Portland deve ser de acordo com as necessidades físicas
e químicas desejadas. Há diversas classificações que variam de acordo com os teores dos
compostos que promovem alterações significativas em algumas de suas características. A
ASTM C150 especifica limites máximos para os teores de ��, ���, �� e ���� para cada
tipo de cimento, representados na tabela 02.
Tabela 02 - Limites de teores de compostos para cimentos da ASTM C150.
Composto (%) Tipo
I II III IV V ��� máx. - - - 35 - ��� max. - - - 40 - ��� máx. - 8 15 7 5 ��"�� + 2���� máx. - - - - 25
Mesmo com esta diversidade de tipos, nem sempre as necessidades são atendidas,
necessidades as quais podem não somente ser físicas e químicas, mas também econômicas.
MEHTA et al. (1994) cita que a economia de custos foi provavelmente a razão original para o
desenvolvimento de cimentos Portland compostos. De acordo com NEVILLE (1997), há
diversas formas de se produzir um cimento Portland composto, uma dela é moer os
compostos com o clínquer, produzindo um composto integral com grãos tão finos quanto o
cimento. As normas brasileiras fixam as especificações dos diferentes tipos de cimento
Portland:
CP I - Cimento Portland comum (NBR 5732/91): é o cimento sem propriedades
especiais, empregado no uso geral, ou seja, quando não há comprometimento com nenhuma
especificação especial. Este tipo de cimento pode ter adições de pozolana, escória de alto
forno ou filler, sendo assim denominado CP I-S - Cimento Portland comum com adição.
CP II - Cimento Portland composto (NBR 11578/91): apresenta moderada
resistência a sulfatos e moderado calor de hidratação. Pode ser composto por pozolana (CP II-
Z), escória de alto forno (CP II-E) ou filler (CP II-F). São os mais encontrados no mercado,
representando atualmente aproximadamente 75% da produção industrial brasileira (ABCP,
2002).
A ASTM C150 limita o quantidade de �� no cimento ao máximo de 8%, e tem um
limite opcional máximo de 58% na soma do �� + �� (MEHTA & MONTEIRO, 1994).
18
CP III - Cimento Portland de alto forno (NBR 5735/91): obtido pela mistura
homogênea de clínquer Portland e escória granulada de alto forno. Caracteriza-se pela alta
resistência inicial. Este possui maior finura e teor de �3� que o cimento Portland comum que
de acordo com NEVILLE (1997), deve ser maior que 50% e as vezes até do que 70%.
A escória de alto forno é um resíduo da indústria de ferro gusa, quimicamente
composto de uma mistura de cal, sílica e alumina, ou seja, os mesmos óxidos que também
constituem o cimento Portland (NEVILLE, 1997).
CP IV - Cimento Portland pozolânico (NBR 5736/91): são cimentos de baixo calor
de hidratação e lenta evolução na resistência. Apresenta baixo teor de �� e ��. De acordo
com a norma, o teor de materiais pozolânicos secos deve estar entre 15% e 50% da massa
total do cimento.
Este tipo de cimento não tem sido mais utilizado devido a existência de outras formas
mais econômicas de controlar o calor de hidratação com adição de pozolana ou cinza volante
como exemplo no cimento Portland composto (CP II).
CP V-ARI - Cimento Portland de alta resistência inicial (NBR 5733/91): apresenta
alta resistência a sulfatos e baixo teor de ��, principal responsável em reagir com sulfatos.
De acordo com a norma brasileira, a designação "ARI" representa o mínimo de resistência à
compressão aos 7 dias de idade que corresponde a 34 MPa.
A ASTM C 150 limita o teor de �� em 5% e o total dos teores de �4�� mais o dobro
de �� a 25% (NEVILLE, 1997).
CPB - Cimento Portland branco (NBR 12989/93): difere-se dos demais pela
coloração branca devido os baixos teores de óxidos de ferro e manganês em sua composição,
além condições especiais durante a fabricação. A norma subdivide o CPB em dois tipos:
estruturais e não estruturais. Enquanto o estrutural possui classes de resistência de 20, 32 e 40
MPa assim como os outros tipos de cimento, o não estrutural não possui aplicação de classes
e é indicado apenas para fabricação de argamassas para rejunte, ladrilhos hidráulicos e outros
fins não estruturais (ABCP, 2010).
CPP - Cimento para poços petrolíferos (NBR 9831/06): sua aplicação é bastante
específica, destinada a cimentação de poços petrolíferos. Este cimento apresenta apenas
clínquer e gesso para retardar sua pega como componentes. Devido sua aplicação em grandes
profundidades em condições de temperatura e pressões elevadas, durante o processo de
19
fabricação são tomadas precauções para garantir que o produto conserve sua plasticidade. O
volume de utilização deste tipo de cimento é pouco expressivo no país. (ABCP, 2002).
Cimento Portland de baixo calor de hidratação (NBR 13116/94): o rápido aumento
da temperatura em grandes massas de concreto podem resultar no aparecimento de fissuras de
origem térmica que podem ser evitadas com o uso de cimentos com lenta evolução de calor.
Cimentos Portland de baixo calor de hidratação podem ser qualquer um dos tipos de cimento
básicos, porém este deve geram até 260 J/g e 300 J/g aos 3 e 7 dias de hidratação
respectivamente (ABCP, 2002).
De acordo com a ABCP (2002), as composições típicas destes diferentes tipos de
cimento estão representados na tabela 3.
Tabela 03 - Composição dos diferentes tipos de cimentos.
Tipo de cimento Portland
Sigla Composição (% de massa)
Clínquer + gesso
Escória granulada de alto forno (E)
Material pozolânico (Z)
Material carbonático (F)
Comum CP I 100 - CP-S 99-95 1-5
Composto CP II-E 94-56 6-34 - 0-10 CP II-Z 94-76 - 6-14 0-10 CP II-F 94-90 - - 6-10
Alto-forno CP III 65-25 35-70 - 0-5 Pozolânico CP IV 85-45 - 15-50 0-5 Alta resistência inicial CP V-ARI 100-95 - - 0-5
Branco estrutural CPB-25 CPB-32 CPB-40
100-75 - - 0-25
Branco não estrutural CPB 74-50 - - 26-50 Fonte: ABCP, 2002.
4.2 ADITIVOS QUÍMICOS
A NBR 11768/92 define aditivos como "produtos que adicionados em pequenas
quantidades a concretos de cimento Portland, modificam algumas de suas propriedades, no
sentido de melhor adequá-las a determinadas condições". De acordo com NEVILLE (1997),
a norma americana ASTM C125 define o aditivo como "material, além de água, agregados,
cimentos hidráulicos e fibras, empregado como um constituinte do concreto ou argamassa e
adicionado na betoneira imediatamente antes ou durante a mistura".
MEHTA et al. (1994) citam que o uso de aditivos proporciona ao concreto vantagens
consideráveis como melhorias físicas e econômicas. "Essas melhorias incluem o uso em
20
condições nas quais seria difícil ou até impossível usar o concreto sem aditivos". Hoje é
comum o uso dois aditivos.
Por norma (NBR 11768/92), são definidos nove tipos de aditivos para concretos de
cimento Portland:
a) Tipo P - aditivo plastificante: também conhecidos como redutores de água de 1ª
geração, permitem a redução da relação água/cimento sem modificar sua consistência. São
aditivos que reduzem o teor de água de 5% a 10% (NEVILLE, 1997) e modificam a
consistência do concreto, o tornando mais fluido. É normalmente utilizado na concretagem de
peças com armaduras de aço muito densas ou regiões inacessíveis como em placas de pisos ou
de pavimentos rodoviários (MEHTA & MONTEIRO, 1994). Como consequência da redução
da relação água/cimento, é normal ocorrer aumento na resistência do concreto.
Mecanismo de ação: de acordo com MEHTA et al. (1994), existem dois motivos que
fazem o cimento, quando adicionado água, transforma-se em um sistema pouco disperso.
Primeiro, a água, que possui tensão superficial elevada (estrutura molecular com ligação tipo
ponte de hidrogênio), e segundo, as partículas de cimento tendem a se aglomerar ou formar
flocos devido a existência de forças de atração entre arestas, cantos, e superfícies, carregados
positivamente e negativamente quando os compostos são finamente moídos.
Plastificantes típicos como ácido cítrico, ácido glucônico e polímero de
lignossulfonato, representados na figura 2, trabalham de forma onde sua cadeia polar aniônica
que está ligada a uma cadeia de hidrocarboneto polar ou hidrófila (� ) que quando absorvida
pela superfície da partícula do cimento, reduz sua tensão superficial dando uma forte carga
negativa as partículas, gerando uma força de repulsão eletrostática entre elas e também
tornando-as hidrófilas. Esta ação está representada na figura 3.
Figura 2: Estrutura dos aditivos plastificantes típicos (MEHTA & MONTEIRO, 1994).
21
Figura 3: Representação da força de repulsão nas partículas de cimento (MEHTA & MONTEIRO, 1994).
b) Tipo R - aditivo retardador: agem aumentando o tempo de início e fim de pega
do concreto, tornando mais lento o endurecimento e evolução da resistência. Permite a
concretagem em locais de temperaturas elevadas e proporcionam mais tempo para efetuar
acabamentos. Seu uso no controle de pega é essencial em estruturas onde se faz necessário a
eliminação de fissuras e juntas frias, permitindo assim concretagens contínuas (NEVILLE,
1997).
Mecanismo de ação: há um grande número de substâncias que podem ser empregadas
como aditivos retardadores de pega mas o mecanismo de ação é basicamente o mesmo, a
capacidade de impedir a dissolução dos cátions (íons de cálcio), e ânions do cimento durante
o período de hidratação, evitando a formação dos compostos hidratados do cimento.
c) Tipo A - aditivo acelerador: de acordo com BAUER (2000), agem sob o
endurecimento, facilitando a hidratação e acelerando os tempos de início e fim de pega do
concreto. Sua principal função é proporcionar uma rápida evolução da resistência inicial,
permitindo assim uma desforma rápida, reparos urgentes e concretagens a baixas temperaturas
(NEVILLE, 1997).
Mecanismo de ação: age de forma contrária ao retardador. Este deve promover a
dissolução dos cátions e ânions do cimento, agindo como um catalisador da reação,
acelerando o processo de hidratação e enrijecimento da pasta, resultando na rápida formação
dos compostos hidratados do cimento.
d) Tipo PR - aditivo plastificante retardador: combina os efeitos dos aditivos
plastificante e retardador.
22
e) Tipo PA - aditivo plastificante acelerador: combina os efeitos dos aditivos
plastificante e acelerador.
f) Tipo IAR - aditivo incorporador de ar: incorpora pequenas bolhas de ar ao
concreto, o tornando mais resistente a ciclos de congelamento e descongelamento. Este é
empregado na produção de concretos leves. De acordo com MEHTA et al. (1994), o aditivo
torna as partículas de cimento hidrófobas. Um excesso de aditivo pode causar retardamento na
hidratação do cimento. Grandes quantidades de ar incorporado também causam perda na
resistência.
g) Tipo SP - aditivo superplastificante: considerados como aditivos de 3ª geração,
comparados aos aditivos plastificantes comuns, podem reduzir o teor de água de 25% a 32%,
trabalhando forma significamente mais intensa que os plastificantes comuns (NEVILLE,
1994). São também chamados de redutores de água de alta eficiência.
Mecanismo de ação: trabalham quimicamente de forma diferente aos aditivos
plastificantes típicos. Representado na figura 4, o mecanismo de ação dos superplastificantes
de éter de policarboxilato é a estabilização eletroestérica, resultando em uma dispersão mais
eficiente. As longas cadeias laterais do policarboxilato aumentam o espaço físico entre as
partículas de cimento, resultando em uma redução de água muito superior devido ao
mecanismo de repulsão.
Figura 4: Ilustração dos mecanismos de estabilização de suspensões: (a) estabilização eletrostática, (b)
estabilização estérica e (c) estabilização eletroestérica (CASTRO & PANDOLFELLI, 2009)
h) Tipo SPR - aditivo superplastificante retardador: combina os efeitos dos
aditivos superplastificante e retardador.
i) Tipor SPA - aditivo superplastificante acelerador: combina os efeitos dos
aditivos superplastificante e acelerador.
23
Em complementação aos aditivos descritos acima, NEVILLE (1994) e BAUER (2000)
citam alguns aditivos especiais, não especificados na NBR 11768/92. São eles:
j) Aditivos impermeabilizantes (hidrofugante): atua de modo em tornar o concreto
hidrófobo, obturando os poros capilares ou por ação repulsiva em relação à água
(PETRUCCI, 1987).
k) Aditivos bactericidas e similares: alguns organismos como fungos, bactérias ou
insetos podem prejudicar o concreto com compostos químicos corrosivos resultante de seus
metabolismos. Ataque de ácido orgânico ou mineral provocam corrosão do aço e reagem com
a pasta de cimento hidratada. Aditivos bactericidas e similares incorporam substâncias tóxicas
aos organismos agressores que podem ser bactericidas, fungicidas ou inseticidas que não
devem ser agressivos a saúde do ser humano (NEVILLE, 1994).
l) Aditivos expansores: produzem expansão do concreto durante o período de
hidratação, gerando gás e aumentando seu volume devido o hidrogênio gerado na reação,
formando pequenas bolhas. O mais comum dos aditivos geradores de gás é o alumínio em pó
(BAUER, 2000).
j) Aditivos estabilizadores ou inibidores de hidratação: estes aditivos podem
reduzir ou até parar a hidratação do cimento e tem um importante papel na obtenção do "selo
verde". Alguns destes aditivos conseguem promover longos retardos na hidratação de até 72
horas, evitando o desperdício de concreto no caso de sobra após o final de uma concretagem,
devolução de concreto no estado fresco ou problemas de última hora como correção nas
armaduras, atraso no transporte do concreto em caminhões betoneiras devido a
engarrafamentos e outros contratempos que podem atrasar o início da entrega e concretagem,
resultando no início da pega, impossibilitando o lançamento deste concreto e causando
grandes desperdícios de materiais e dinheiro (TOKUDOME, 2010).
Mecanismo de ação: atua sobre as moléculas do cimento através do encapsulamento
das mesmas, bloqueando a reação com a água. A intensidade do retardo se dá pelo teor de
aditivo utilizado.
24
4.3 AGREGADOS
Originários na natureza em jazidas e artificialmente por ação do homem através de
uma rocha mãe por processos de britagem e moagem ou através de uma diversidade de
processos industriais, podemos citar os mais convencionais o seixo, brita e areias como
agregados para a confecção do concreto de cimento Portland.
Pelo menos três quartos do volume do concreto são ocupados pelos agregados.
Anteriormente o agregado era tido como um material inerte, distribuído pelo meio da pasta de
cimento, utilizado principalmente por razões de economia (NEVILLE, 1997), porém, a
medida que pesquisas em torno do concreto avançaram, este ponto de vista é seriamente
questionado pois hoje sabe-se que certos minerais contidos na composição dos agregados
podem reagir com pasta de cimento (reação álcali-agregado).
De acordo com MEHTA et al. (1994), sabe-se que as propriedades de um agregado
possuem significante influência sobre a durabilidade e desempenho do concreto, propriedades
as quais como composição mineral, forma e textura, aderência a pasta de cimento, resistência
à compressão, porosidade, absorção e teor de umidade podem elevar ou diminuir a qualidade
do concreto.
Na obtenção de concretos com especificações de qualidade mais rigorosas, é utilizado
agregados de pelo menos dois tamanhos, os quais podemos denominar de agregados graúdos,
designados na maioria por seixo ou brita, e agregados miúdos, designados por areias.
De acordo com a norma brasileira de agregados para concreto NBR 7211/05, os
agregados graúdos e miúdos são classificados quanto ao seu tamanho através do peneiramento
do material. Vale ressaltar que a norma diz respeito apenas a agregados de origem natural,
portanto não se aplica a agregados obtidos de forma industrial.
Agregado miúdo: agregado cujos grãos passam pela peneira com abertura de malha
de 4,75 mm e ficam retidos na peneira com abertura de malha de 150 µm, em ensaio realizado
de acordo com a ABNT NBR NM 248, com peneiras definidas pela ABNT NBR NM ISO
3310-1 (ABNT NBR 7211/05).
Agregado graúdo: agregado cujos grãos passam pela peneira com abertura de malha
de 75 mm e ficam retidos na peneira com abertura de malha de 4,75 mm, em ensaio realizado
de acordo com a ABNT NBR NM 248, com peneiras definidas pela ABNT NBR NM ISO
3310-1 (ABNT NBR 7211/05).
25
4.4 ÁGUA
O cimento Portland, para se transformar em agente ligante necessita ser hidratado pela
água. Com o decorrer do tempo, os produtos da hidratação dão origem a uma massa firme e
dura, a pasta de cimento endurecida (NEVILLE, 1997).
De acordo com MEHTA et al. (1994), em 1918 no Instituto Lewis da Universidade de
Illinois, um extenso programa de ensaios conduzidos por Duff Abrams determinou que a
resistência do concreto possui relação com o fator águágua/cimento empregado.
O aumento da relação água/cimento aumenta a trabalhabilidade do concreto, porém,
vale ressaltar que, de uma forma geral, podemos admitir que a resistência do concreto é
inversamente proporcional à relação água/cimento por ter uma íntima ligação com a
porosidade. Isso se deve a processos de evaporação da água e vazios entre partículas não
hidratadas no cimento, deixando vazios dentro do corpo rígido do concreto (poros capilares),
reduzindo suas capacidades físicas e mecânicas devido o enfraquecimento da matriz da pasta
de cimento. NEVILLE (1997) cita que um dos materiais conhecidos feito a base de cimento
com maior resistência tinha uma relação de água/cimento de 0,08 e que depois de adensado,
apresentou resistência de 345 MPa. Com a aplicação de uma pressão de 340 MPa e
temperatura de 250°C foi possível alcançar resistências de 660 MPa à compressão axial e 64
MPa por compressão diametral. Isso se deve a baixíssima porosidade dessas misturas dada a
baixa relação água/cimento e excelente adensamento.
Diminuir a relação água/cimento visando reduzir a porosidade é sempre uma opção,
porém o mesmo se torna pouco trabalhável e adensável. Para isto, utilizam-se aditivos
químicos plastificantes para contornar estas dificuldades.
Outro papel importante da água é sua aplicação na cura durante os primeiros estágios
do endurecimento, qual seu objetivo é manter o concreto saturado ou mais próximo possível
desta condição para promover a hidratação do cimento e controle da temperatura (NEVILLE,
1997).
É fundamental a qualidade da água utilizada nestes estágios de confecção do concreto.
Impurezas contidas na água podem interferir com a pega do cimento, comprometer a
resistência do concreto ou provocar o aparecimento de manchas na sua superfície e pode
também, resultar em corrosão de armadura. Apesar do uso de água não potável ser
satisfatório, em muitas especificações a qualidade da água indicada está assegurada nas
especificações que rege a qualidade da água potável (NEVILLE, 1997).
26
5 O METACAULIM
Obter concretos com o menor custo e com rígidas especificações no seu desempenho e
características sem comprometer sua qualidade final ou elevar demasiadamente os custos
parece um desafio quando não se tem os materiais e conhecimento técnico necessários. O
extensivo uso do concreto convencional nas obras da nossa região ilustra essa situação.
Muitos construtores seja por falta de interesse ou até mesmo desconfiança desconhecem que
podem produzir em seus canteiros um concreto de desempenho e propriedades superiores com
simples adições minerais e aditivos químicos. O Metacaulim HP é uma destas adições que
tem como objetivo suprir essas necessidades dos construtores.
Largamente utilizado na Europa, Ásia e Estados Unidos, o Metacaulim é uma adição
mineral de alta eficácia para concretos e produtos a base de cimento Portland, podendo
inclusive ser utilizado em argamassas para revestimento.
O produto Metacaulim HP, ao contrário de outras adições minerais, não é um rejeito
industrial que em muitos casos não possuem controle de produção específico. Por se tratar de
uma pozolana de alta eficiência, possui normatização, se enquadrando na norma brasileira de
materiais pozolânicos (NBR 12653/92) e americana ASTM C618.
5.1 VISÃO DE SUSTENTABILIDADE
Os impactos ambientais gerados pela indústria e consumo humano vêm se tornando
uma preocupação cada vez maior no mundo visto alguns acontecimentos negativos
observados nos últimos anos em relação ao clima e desastres ecológicos, consequência da
degradação do meio em que vivemos. Processos industriais relacionados à produção do
cimento Portland tem significante relevância, sendo considerado como um dos principais
responsáveis em colaborar para esta degradação visto a grande quantidade de gás ���
liberada na atmosfera, principal responsável por atacar a camada de ozônio que reveste a terra
e nos protege dos raios solares, agravando o efeito estufa.
VARGAS et al. (2006) atenta que a produção do cimento gera poluição e utilização de
recursos não renováveis (argila e calcário) e utilização de grandes quantidades de energia
durante os processos industriais da fabricação. Para cada tonelada de cimento Portland
fabricada é gerada aproximadamente a mesma quantidade de ���.
27
De acordo com SILVA JR. et al. (2009), “a produção do Metacaulim gera, durante a
calcinação, vapor de água e uma areia quartzosa, usada como agregado miúdo”.
Comparando os impactos ambientais produzidos pelos processos industriais dos dois
produtos, fica evidente que os impactos gerados na fabricação do Metacaulim são de menores
proporções. Como uma adição mineral para concretos de cimento Portland, substituir parte do
traço correspondente ao cimento pelo Metacaulim automaticamente gera uma redução na
demanda do cimento, amenizando os impactos ambientais.
5.2 BENEFÍCIOS
O uso da adição mineral Metacaulim não proporciona somente redução nos impactos
ambientais. Por se tratar de uma pozolana de alta eficiência, as melhorias no desempenho,
durabilidade e outras características do concreto são bastante apreciáveis.
De acordo com o fabricante, o uso da adição aumenta a resistência mecânica do
concreto à compressão e tração, reduz a porosidade e capilaridade, tornando o concreto menos
permeável, inibindo a penetração e ação de agentes agressivos que podem reagir com a pasta
de cimento e armadura da estrutura como cloretos e sulfatos, inibe reações álcali-agregado e
proporciona melhorias na zona de transição pasta de cimento e agregado.
As figuras 5 e 6 mostram uma análise comparativa pela microscopia eletrônica entre a
pasta de referência com cimento puro (esquerda) e a pasta contendo 8% de adição de
Metacaulim HP (direita) em substituição ao cimento, ambas aos 28 dias. As regiões mais
escuras representam porosidades ou interstícios.
Figura 5: Sem Metacaulim (Metacaulim do Brasil
Ltda., 2010)
Figura 6: Com Metacaulim (Metacaulim do Brasil
Ltda., 2010)
5.3 COMPOSIÇÃO
Oriundo da caulinita, o Metacaulim é uma classe de materiais pozolânicos obtidos da
calcinação, entre 700°C e 800°C (NASCIMENTO, 2009). O processo químico onde a
caulinita é transformada em Metacaulim é descrita quimicamente na equação abaixo:
28
������+�� ��,----.----/012345461
+77°9:;;< ���. 2����,---.---/
=>6101234?
+ 2 ��
Fonte: NASCIMENTO, 2009.
A adição é constituída basicamente de 51% sílica ������ e 41% de alumina �����
na fase amorfa (vítrea), formando silicato de alumínio, que ao se posicionarem entre as
partículas de cimento preenchendo os vazios (ação de micro-filler), proporcionam alta
reatividade com o hidróxido de cálcio ���� �� presente no concreto, portanto podemos dizer
que a adição proporciona a pasta de cimento reações químicas pozolânicas.
Análises realizadas por HELENE (2004) indicam outros compostos em menores
proporções como � ���, ���, #$�, ��, %���, e &��. A tabela 04 apresenta uma
comparação desta análise com as especificações fornecidas pelo fabricante, mostrando pouca
diferença entre os teores.
Tabela 04 - Análise dos compostos do Metacaulim % de compostos em óxidos ���� ����� ����� @��� AB� C��� D�� ��� ��� Fabricante 51% 41% < 3% < 1% < 0,4% < 0,1 % < 0,5% < 0,1% < 0,5% HELENE 51,57% 40,5% 2,8% - - 0,08% 0,18% - -
Fonte: HELENE (2004) e Metacaulim do Brasil Ltda.
5.4 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS
O Metacaulim HP é um material pulverulento de cor branca, com peso específico
aproximadamente duas vezes menor que o cimento. As figuras 7, 8 e 9 representa provetas de
vidro preenchida até a marcação da sua capacidade máxima de 500 ml com o cimento
utilizado no programa de experimento (CP II-F 32), a adição mineral Metacaulim HP e água
como referência, respectivamente. A tabela 05 apresenta o valor da massa registrada pela
balança de precisão e a tabela 06 apresenta a caracterização física do MetacaulimHP fornecida
pelo fabricante.
29
Figura 7: CP II-F 32.
Figura 8: Metacaulim HP.
Figura 9: Água.
Tabela 05 - Massa dos materiais.
Material Massa CP II-F 32 551,50 g MetacaulimHP 271,24 g Água 500,00 g
Tabela 06 - Caracterização física do MetacaulimHP
Determinação Resultado Área Específica Blaine (m²/g) 1,88 Densidade Aparente (g/cm³) 0,33
Finura Resíduo na peneira #200 (%) < 0,1 Resíduo na peneira #325 (%) < 2,0
Fonte: BARBOSA et al. (2006)
5.5 MECANISMO DE AÇÃO
O hidróxido de cálcio presente no cimento é um composto fraco e solúvel. Os
compostos a base de sílica da adição ao reagir com o hidróxido de cálcio formam produtos
mais resistentes, estáveis, insolúveis e com capacidades cimentícias, permitindo que sobre
menos do composto para ser lixiviado devido sua característica de ser um composto altamente
solúvel ou reagir com sulfatos, responsável que possam gerar reações potencialmente danosas,
fissurando o concreto devido sua ação expansiva.
Esta reação dos compostos do Metacaulim com o hidróxido de cálcio são conhecidas
esquematicamente como “ �– �– �– ” ou “Gelenita” e descrita quimicamente como
���. 2���� + 5���� �� → 5���. ���. 2����. 5 ��.
30
6 O CONCRETO
Para compreendermos as melhorias nas propriedades do concreto, devemos entender
aspectos básicos dos elementos que o compõe, estruturas e propriedades destes elementos e
como eles se relacionam. Isso é fundamental para que através de estudos e pesquisas
possamos desenvolver ferramentas capazes de exercer algum tipo de controle sobre as
propriedades do material. Essa diversidade de elementos, propriedades e estruturas é o que
confere ao concreto sua característica heterogênea. Constituído de diversas fases, das quais,
algumas são visíveis à vista humana (macroestrutura) e outras são observadas apenas com o
auxilio de um microscópio eletrônico (microestrutura ).
Na figura 10, é possível identificar facilmente duas fases do concreto que são as
partículas de agregado, encontrados em diversas formas e tamanhos, e a pasta endurecida que
funciona como meio ligante para o agregado. De acordo com MEHTA (1994) “a nível
macroscópico, consequentemente, o concreto pode ser considerado como um material
bifásico, consistindo de partículas de agregado dispersas em uma matriz de cimento”.
Figura 10: Seção polida de um corpo-de-prova de concreto (MEHTA & MONTEIRO, 1994).
Essa disposição de agregados na pasta de cimento não é homogênea, assim como, a
própria matriz de cimento também não é. A densidade da massa de pasta e a dispersão dos
corpos nela são influenciadas pela quantidade de água utilizada na hidratação. Isso porque o
volume de vazios capilares na pasta diminui quanto menor for a relação água/cimento e a
medida que o tempo passa e a pasta hidrata. A relação da hidratação da pasta com o agregado
pode ser considerada uma terceira fase.
Durante a hidratação, devido às dimensões do agregado graúdo, forma-se uma película
de água com uma relação água/cimento maior do que a da pasta na face do agregado. Essa
31
fase é conhecida como zona de transição. Apesar de delgada, de 10 a 50 µm, e frágil, em
relação a pasta ou o agregado, esta zona é de fundamental importância, pois exerce enorme
influencia no futuro comportamento mecânico do concreto. Isso porque, ao contrario do
agregado, a zona de transição e a pasta de cimento continuam a hidratar, ou seja, continuam a
formar novos compostos à medida que a água reage com os diversos compostos contidos
naquelas e nos agregados, além de ambas, a pasta e a zona de transição, estarem sujeitas a
influencia do tempo, temperatura e umidade ambiente.
Além destes fatores, a zona de transição também pode ser influenciada pela forma e
estrutura física do agregado. “Quanto maior o tamanho do agregado no concreto e mais
elevada a proporção de partículas chatas e alongadas, maior será a tendência do filme de água
se acumular próximo a superfície do agregado, enfraquecendo assim a zona de transição
pasta-agregado” (MEHTA & MONTEIRO, 1994).
Este filme de água espesso é conhecido como exsudação interna. Esse acúmulo de
água altera a relação água/cimento e reduz drasticamente a resistência da zona de transição,
pois no momento em que a pasta esta hidratando, ocorre maior formação de cristais grandes,
como o hidróxido de cálcio e cavidades capilares ou vazios. A figura 11 exemplifica,
respectivamente, uma boa hidratação, baixa relação água/cimento, e uma hidratação ruim, alta
relação água/cimento ao romper o corpo de prova. A esquerda, podemos observar a ruptura do
agregado ao meio devido à boa hidratação que ocorreu devido a produção de uma zona de
transição resistente após 28 dias de hidratação. Já a imagem da direita apresenta um concreto
de baixa adesão entre o agregado e a pasta endurecida, evidenciado pelo fato do corpo de
prova ter rompido na superfície do agregado. Isso porque a exsudação interna aumentou a
relação água/cimento na zona de transição e favoreceu a produção de cristais grandes e
estruturas porosas. O volume e tamanho dos vazios são importantes, pois a principal força de
coesão entre as estruturas da pasta de cimento são as forças de atração de Van der Waals.
32
Figura 11: Ruptura de corpos de prova (TECNOSIL, 2010).
O cimento Portland tem como matéria prima o clínquer, cujas principais composições
químicas minerais são ��, ���, �� e ����. Quando na presença da água os compostos de
cálcio passam a integrar a solução sob diversas formas iônicas, após alguns minutos começam
a se formar os primeiros cristais conhecidos como entrigita e horas depois formam se os
cristais de hidróxido de cálcio e silicatos de cálcio hidratados.
Segundo MEHTA et al. (1994), numa boa hidratação da pasta de cimento Portland na
elaboração de concretos, o volume de sólidos será constituído 50% a 60 % de silicatos de
cálcio hidratado (representado simbolicamente por � − � − ), 20% a 25 % de hidróxido de
cálcio, 15% a 20 % de sulfoaluminatos de cálcio (entrigita), mais grãos de clínquer não
hidratado. A pasta endurecida ainda apresenta dois outros componentes: vazios e água. O
primeiro pode apresentar se sob forma de vazios capilares, ar incorporado e espaço
interlamelar no � − � − . A água pode estar presente em cinco condições: água capilar,
água livre, água absorvida, água interlamelar e água quimicamente combinada.
O acréscimo de resistência à zona de transição ao longo dos dias e meses justifica-se
pela lenta hidratação que a mesma sofre em relação à pasta de cimento, hidratação essa que
pode produzir cristalizações menores entre os cristais de entrigita e o hidróxido de cálcio o
que aumenta a densidade, logo a resistência, da zona de transição. (MEHTA & MONTEIRO,
1994).
Rompimento em torno dono agregado
Rompimento no agregado
fck = 25 MPa fck = 45 MPa
33
Devido à porcentagem que representa na pasta hidratada, o � − � − é o produto
crucial na determinação das características da matriz uma vez que sua morfologia, fibras
pouco cristalinas ou um reticulado cristalino, favorece a aglomeração do mesmo e aumenta a
resistência devido às forças de atração de Wan der Waals. O Metacaulim por ser um
composto a base de sílica e alumina, ao reagir com a pasta, produzirá um novo � − � −
melhorando assim a resistência do concreto à compressão e reduzindo a quantidade e tamanho
dos poros na microestrutura.
6.1 PROPRIEDADES
6.1.1 Resistência e Porosidade
A resistência dos materiais sólidos é inversamente proporcional a porosidade, por isso
os pequenos cristais de � − � − são tão importantes para esta propriedade. O silicato de
cálcio hidratado reduz a porosidade e aumenta a resistência, pois ele contribui com as forças
de atração entre as partículas e cria uma forte adesão entre os cristais de hidróxido, grãos de
clínquer não hidratados e o agregado graúdo e miúdo. A espessura dos capilares do concreto
varia de acordo com a idade do concreto, então, para alcançarmos a resistência de acordo com
a norma NBR 6118/04, é necessário um grau de hidratação adequado, o qual irá depender da
relação água/cimento, composição química do cimento, eventuais adições e da cura (NBR
5738/08).
Atentando ao fato de que 1 cm³ de cimento produz 2 cm³ de produto de hidratação,
através de cálculos simples Powers demonstra o volume de vazios no solido. Adotando um
volume de 100 cm³ de cimento e 200 cm³ de água, ou seja, 300 cm³ de volume de pasta, após
a hidratação completa serão produzidos 200 cm³ de sólidos, de forma que “o volume de
cimento hidratado a 7, 28 e 365 dias é 50, 75 e 100 %, respectivamente, o volume calculado
de sólidos (cimento anidro mais produtos de hidratação) é de 150, 175 e 200 cm³. O volume
de vazios capilares pode ser obtido pela diferença entre o volume total disponível e o volume
total de sólidos. Este é de 50, 42 e 33 %, respectivamente aos 7, 28 e 365 dias de hidratação.”
(MEHTA & MONTEIRO, 1994).
34
Figura 12: Variação na porosidade capilar com relações água/cimento e graus de hidratação diferentes (MEHTA
& MONTEIRO, 1994).
Após a hidratação a pasta não é dimensionalmente estável, e quando exposta à
umidade ambiente inferior a 100%, a matriz começa a desidratar e sofrer retração, o que pode
ocasionar em fissuras. Essa secagem ocorre à medida que as moléculas de água contidas na
pasta, água absorvida e água capilar, são perdidas. A ausência dessa água nos capilares e nos
espaços entre as microestruturas sólidas acarreta numa menor pressão hidrostática e na
perda da pressão de desligamento respectivamente, o que causa as fissuras por retração. O
plano de cura do concreto nos dias seguintes visa manter a temperatura e a umidade no
interior da pasta saturada, evitando assim a perda de água para o ambiente ou o excesso de
calor no interior da mesma.
A cura mantém a água incorporada na mistura até que os produtos de hidratação
comecem a se formar (pega do cimento), ou seja, a cura adequada durante o tempo ideal (28
dias) garante não apenas as resistências satisfatórias para o tipo de cimento utilizado, mas
também resistência mais alta como mostra a figura 10. Essa hidratação completa produz uma
35
matriz com menos e menores poros, reduzindo também a permeabilidade do concreto
(NEVILLE, 1997). A figura 13 ilustra esta situação em um concreto de diferentes dias de
idade com uma relação água/cimento igual a 0,50.
Figura 13: Influencia da cura úmida sobre a resistência do concreto (NEVILLE, 1997).
Existem vários métodos de cura que abrangem diversas situações, desde estruturas
com pequenas dimensões, pavimentos e/ou lajes extensas e corpos cilíndricos. No caso deste
trabalho será utilizada a cura úmida de acordo com a norma NBR 5738/08 para corpos
cilíndricos ou prismáticos. Essas características e fatores abordados são indispensáveis na
elaboração de concretos de alto desempenho e vida útil prolongada.
6.1.2 Permeabilidade
A forma como decorre a hidratação e a cura do concreto exerce influencia direta sobre
a porosidade da estrutura sólida final e é justamente através destes poros que ocorre o
transporte de fluidos viscosos e íons em poros preenchidos com água. Essa taxa de fluxo
viscoso de fluidos é o que define permeabilidade. Esta é a propriedade que controla a taxa de
fluxo de um fluido para o interior de um sólido poroso, sendo esta influenciada pela taxa de
fluxo do fluido, pela viscosidade do mesmo, pela pressão, pela área de superfície em contato
com o liquido e pela espessura da estrutura.
A permeabilidade também esta relacionada com a dimensão dos agregados. Segundo
MEHTA et al. (1994), quanto maior o agregado, maior será o coeficiente de permeabilidade,
isto porque partículas grandes de agregados favorecem a exsudação interna da pasta de
cimento, produzindo assim uma zona de transição muito porosa e frágil. As microfissuras
geradas na zona de transição apesar de muito pequenas, ainda sim são maiores que as da
36
matriz do concreto, estabelecendo dessa forma interconexões que aumentam a permeabilidade
do sistema.
A quantidade e espessura dessas fissuras representam fatores, os quais intensificam a
corrosão pelo fato de promoverem o deslocamento dos agentes agressivos na direção da
armadura. (CASCUDO, 1997).
Por exemplo, a carbonatação:
“Esta comprovado que o processo de carbonatação ocorre preponderantemente ao
longo das paredes da fissura e esta carbonatação, mais rápida que as demais, vai contribuir
para a aceleração do aparecimento de células de corrosão, devido às diferenças de pH e de
aceleração decorrentes da carbonatação”. (HELENE, 1997).
Ou seja, as fissuras aumentam a permeabilidade da matriz de cimento o que ocasiona o
inicio precoce da corrosão, comprometendo então a durabilidade da estrutura.
6.1.3 Durabilidade
Atualmente a durabilidade é um dos principais focos de estudos na área dos materiais,
incluindo o concreto que com o aquecimento da indústria da Engenharia Civil em Belém nos
últimos anos (O Liberal, Edição de 25/04/2010) aumentou ainda mais o seu consumo e
produção. Tanto em obras residenciais quanto em obras onde o contato com a água é continuo
como as de saneamento ou uma ponte, o concreto está exposto ao seu principal agente de
deterioração, a água.
É por esse motivo que a durabilidade dele está intimamente ligada a duas importantes
propriedades, a porosidade e a permeabilidade, assim quaisquer defeitos físicos, como fissuras
e/ou agentes agressivos a pasta alcalina veiculados pela água contribuem de forma negativa
para a durabilidade e consequentemente desempenho do concreto.
“De acordo com o comitê 201 do ACI2 (1991), durabilidade do concreto de cimento
Portland é definida como a sua capacidade de resistir às intempéries, ataques químicos,
abrasão ou qualquer outro processo de deterioração; isto é, o concreto durável conservará a
sua forma original, qualidade e capacidade de utilização quando exposto ao seu meio
2 N.T. - American Concrete Institute. Guide to Durable Concrete: reported by ACI committee 201.2R. ACI Manual of Concrete Practice. Detroit, 1991. Part 1.
37
ambiente”. (MEHTA & MONTEIRO, 1994). Assim, durabilidade é o mesmo que uma vida
longa útil sem que haja necessidade de reparos ou intervenções devido a patologias
desenvolvidas ao longo dos anos, porém nada impede que as estruturas necessitem de
manutenção e supervisão periódica uma vez que o meio ambiente pode prejudicar seu
desempenho, ou seja, a manutenção da estrutura garante a vida útil do material, mas nenhum
material possui vida eterna. Dessa forma, pode-se afirmar também que a vida útil de um
material chega ao fim a partir do momento que suas propriedades encontram se
comprometidas a tal ponto que a utilização do mesmo passa a ser insegura ou inviável
economicamente.
A partir do momento em que as empresas investem na tecnologia dos materiais
utilizados na execução das obras elas garantem um produto de qualidade, economia em
intervenções prematuras e a segurança dos usuários e consumidores, além de estar dando um
importante passo em direção a consciência ecológica e a sustentabilidade.
O Metacaulim HP contribui para o prolongamento da vida útil do concreto, pois ele
reduz a porosidade, que por sua vez está associada à permeabilidade do concreto que junto da
água são os principais veículos de deterioração de estruturas porosas. A água é importante
durante a hidratação do concreto, mas também é um poderoso solvente capaz de penetrar nos
finos poros do concreto endurecido e transportar agentes agressivos como íons e substâncias
ácidas dissolvidas, além da mesma por si só já ser um agente de deterioração.
No que diz respeito à permeabilidade e a porosidade, a segunda é a mais indicada
quando o objetivo é analisar e definir parâmetros sobre a durabilidade do concreto. Isso
porque a permeabilidade é a medida do fluxo de um liquido sob pressão em materiais
saturados, em quanto que a porosidade está mais associada à absorção capilar que mede o
mesmo fluxo, porém em materiais não saturados que são as estruturas de concreto. Além do
fato de que a velocidade de absorção ser maior que a de permeabilidade, ou seja, esta
propriedade pode exercer muito mais influencia no transporte de agentes agressivos através
dos poros (HELENE, 2001).
Assim, com base na grande diversidade de agentes agressivos e os ambientes onde os
mesmos encontram se apresentamos duas tabelas. A Tabela 7 relaciona o nível da
agressividade ao risco de danos estruturais, assim quanto maior for o nível e o risco maior
será a classe de agressividade. A tabela 8 relaciona a classe de agressividade do ambiente em
função das condições de exposição.
38
Tabela 07 - Classes de agressividade ambiental.
Classe de agressividade Agressividade Risco de deterioração da estrutura I Fraca Insignificante II Média Pequeno III Forte Grande IV Muito forte Elevado
Fonte: ABNT NBR 6118/08.
Tabela 08 - Classes de agressividade do ambiente em função das condições de exposição.
Macro-clima
Micro-clima
Interior das edificações Exterior das edificações
Seco1 Úmido ou ciclos2 de molhagem e secagem
Seco3 Umido ou ciclos4 de molhagem e secagem
UR ≥ 65% UR ≥ 65%
Rural I I I II
Urbana I II I II
Marinha II III - III
Industrial II III II III
Especifico II III ou IV III III ou IV
Respingos de maré - - - IV
Submersa ≥3m - - - I
Solo - - Não agressivo, I Úmido e agressivo II, III ou IV Notas: 1. Salas, dormitórios ou ambientes com concreto revestido com argamassa e pintura. 2. Vestiários,
banheiros, cozinhas, garagens, lavanderias. 3. Obras no interior do nordeste do país, partes protegidas de chuva em ambientes predominante secos. 4. Incluindo ambientes quimicamente agressivos, tanques industriais,
galvanoplastia, branqueamento em indústrias de celulose e papel, armazéns de fertilizantes, indústrias químicas. Fonte: HELENE, 2001.
Segundo HELENE (2001), devido aos diversos meios agressivos, para cada um deles
desenvolveu-se um tipo de concreto com resistência especifica àquele meio, resistência essa
definida pelos tipos de materiais utilizados e dosagem adotada na elaboração do mesmo, ou
seja, tais especificidades estão diretamente ligadas aos elementos que definem as propriedades
do concreto, são eles:
• Tipo e consumo de cimento;
• tipo e consumo de adições;
• relação água/cimento;
• natureza e H?áJ. do agregado.
Porém, não faria sentido um concreto de excelente qualidade sem algumas concepções
de grande relevância a serem adotadas em projeto e pelos usuários, como ressalta a NBR
6118/03:
• Prever drenagem eficiente;
39
• evitar formas arquitetônicas e estruturais inadequadas;
• garantir concreto de qualidade apropriada, particularmente nas regiões superficiais
dos elementos estruturais;
• garantir cobrimentos de concreto apropriados para proteção das armaduras;
• detalhar adequadamente as armaduras;
• prever espessuras de sacrifício ou revestimentos protetores em regiões sob condições
de exposição ambiental muito agressiva;
• definir um plano de inspeção e manutenção preventiva.
É essencial que o concreto seja projetado para resistir aos mais diversos ambiente, ou
seja, ele deve ter qualidade suficiente para combater tais agressividades do meio ambiente,
porém algumas medidas devem ser adotadas já na fase de projeto. (SILVA JR., 2001)
Existe no mercado cimento Portland adequado para diversos casos, dentre eles, às
patologias abordadas neste trabalho, tais como, CP I e CP V sem adições, com propriedades
capazes de reduzir a profundidade de carbonatação e os CP III e CP IV com adição extra de
sílica ativa e cinza de casca de arroz, que confere a eles a capacidade de reduzir a penetração
de cloretos. A adição do Metacaulim HP visa beneficiar estas características adquiridas
durante a produção do cimento pois é a qualidade final da espessura de cobrimento que
confere proteção à armadura da estrutura e uma boa proteção e evita o surgimento de
possíveis patologias precoces, garantindo economia em manutenções e também a durabilidade
da estrutura.
HELENE (2001) afirma que quaisquer medidas adotadas durante a elaboração do
projeto, visando à durabilidade da estrutura são mais convenientes, seguras e baratas, ou seja,
muito mais vantajoso que recorrer a medidas protetoras adotadas posteriormente. A questão
econômica é crucial para as empresas em vista do mercado competitivo e cada vez mais
exigente no que diz respeito à qualidade da estrutura.
O método mais prático e econômico de se combater a corrosão é o método preventivo.
(CASCUDO, 2001).
O gráfico na figura 14 mostra que o custo da intervenção assemelha se ao de uma
progressão geométrica de razão 5, conhecida por lei dos 5 ou regra de Sitter. Ele representa a
evolução dos custos em função da fase da vida da estrutura na qual a intervenção é feita.
40
Figura 14: Custo relativo da intervenção (HELENE, 2001).
Este gráfico pode ser compreendido da seguinte forma:
• Fase de projeto: qualquer ação executada nesta fase visando melhorar a proteção e
aumentar a durabilidade da estrutura gera um custo associado ao número 1 (um);
• fase de execução: medidas tomadas após o inicio da construção visando o mesmo
nível de proteção e durabilidade que o da fase de projeto, são associadas ao numero 5 (cinco),
ou seja, um custo cinco vezes maior do que se tivesse sido adotada na fase de projeto. Tais
medidas surtem o efeito desejado, porém sem a mesma eficácia e economia.
• fase de manutenção preventiva: esta fase é prevista no decorrer da vida útil da
estrutura e consistem de medidas necessárias para assegurar a durabilidade da estrutura e
podem custar até 25 vezes em relação a medidas tomadas na fase do projeto, porém ainda sim
são 5 (cinco) vezes mais econômicas que estruturas, as quais já tenham apresentado
problemas patológicos.
• fase de manutenção corretiva: esta fase enquadra as estruturas com vida útil
comprometida, ou seja, já manifestam algum tipo de patologia. A correção de tais problemas
corresponde a um custo 125 vezes maior do que se medidas adequadas tivessem sido adotadas
na fase de projeto, lembrando se trata se do mesmo nível de durabilidade para as quatro fases.
Com base nestes fatores fica evidente a necessidade de investir se cada vez mais em
novos materiais, tecnologias e métodos executivos. O fator econômico facilmente também
justifica uma necessidade cada vez maior de se investir em projetos a fim de melhorar a
qualidade das estruturas e garantir maior vida útil as mesmas.
41
Um dos modelos de vida útil das estruturas mais conhecidos era o proposto por Tuutti
em 1982, até que em 1993, Helene sugeriu que a vida útil das estruturas pode ser dividida em
três etapas. A figura 15 vale se de uma das patologias mais importante e conhecida
cientificamente, a corrosão de armaduras, a qual abrange diversos mecanismos de
deterioração, para demonstrar o ciclo de vida útil de uma estrutura.
Figura 15: Conceituação de vida útil das estruturas de concreto tomando-se por referência o fenômeno de
corrosão das armaduras (HELENE, 2001).
• A primeira fase corresponde ao tempo decorrido até a despassivação da armadura,
esse período é denominado vida útil de projeto. No momento que a carbonatação ou a frente
de cloretos atingirem a armadura será o marco final desta fase, porém não quer dizer que
haverá corrosão expressiva, mas ainda sim tal limite deve ser adotado e justificar a vida útil
no projeto da estrutura respeitando a segurança;
• A segunda fase inicia a partir do surgimento das primeiras patologias, manchas na
superfície do concreto, fissuras ou destacamento de cobrimento. Este período é chamado vida
útil de serviço, pois a estrutura ainda é capaz de desempenhar sua função com qualidade, mas
já é um sinal da necessidade de futuras intervenções.
• A fase final de uma estrutura dar se no momento de sua ruptura ou colapso parcial
ou total da mesma, por isso esta denomina se vida útil última ou total. A estrutura já apresenta
redução significativa da seção e a aderência da armadura já esta comprometida.
42
• Neste modelo ele também introduziu o conceito de vida útil residual a qual esta
associada ao período no qual a estrutura ainda é capaz de desempenhar suas funções. Onde o
inicio é o final desde período pode variar de acordo com o momento em que a estrutura é
avaliada e as patologias que ela pode apresentar.
Segundo ANDRADE (1992), quando tratamos da despassivação da armadura, um
fator importante é a espessura mínima de cobrimento da armadura, pois a durabilidade do
concreto armado é proveniente da proteção que esse cobrimento oferece à estrutura. Essa
barreira confere à armadura dois tipos de proteção contra corrosões.
Uma proteção física que protege o aço do ataque de agentes agressivos externos,
oxigênio e umidade (água) (HELENE, 1993) e uma proteção química, pois a característica
alcalina do concreto, devido principalmente ao ���� ��, produz uma camada passiva, como
uma película, sobre a armadura que a protege por tempo indeterminado (ANDRADE, 1992).
A principal função desses cobrimento, passivação da armadura, proteger contra
impactos mecânicos e físicos, e simultaneamente garante a estabilidade química da pasta.
(HELENE, 1997). “O concreto de cobrimento tem a finalidade de proteger fisicamente a
armadura e propiciar um meio alcalino elevado que evite a corrosão por passivação do aço”
(HELENE, 1997).
Vale ressaltar que o cobrimento ideal não se da através de um cobrimento muito
espesso, nem muito fino, o que se deseja é muita qualidade. Esta sim é a verdadeira
responsável pela proteção do concreto e da armadura.
Uma pesquisa coordenada por HELENE (2001) apresentou dois ábacos provenientes
de formulações utilizadas na determinação do cobrimento para dois casos de despassivação já
conhecidos, carbonatação em faces externa de componentes estruturais expostos à intempérie
e difusão de cloretos em faces externas de componentes estruturais expostos à zona de
respingos de maré.
Os ábacos apresentam como podemos mesclar combinações de espessura de
cobrimento e resistência (qualidade) de concreto, a fim de obter se uma vida útil especifica
para os respectivos fenômenos. Quanto menor a espessura de cobrimento, melhor deve ser a
qualidade do concreto, ou, para concretos de baixa qualidade, faz-se necessário cobrimento
mais espesso.
43
O ábaco da figura 16 corresponde ao ábaco para obtenção da espessura de cobrimento
de armadura em função do ambiente onde predomina o gás carbônico como agente agressor
(zona urbana, industrial, marinha ou rural), do concreto (C10 a C50) e da vida útil desejada (1
a 100 anos). Caso sejam utilizados cimentos Portland com escória de alto forno ou com
pozolanas, as espessuras mínimas características de cobrimento de concreto à armadura
devem ser aumentadas em pelo menos 20% e 10% respectivamente. Àbacos similares são
disponíveis para outras condições de exposição.
Figura 16: Ábaco para obtenção da espessura de cobrimento às armaduras em função do ambiente onde
predomina o gás carbônico (HELENE, 2001).
O ábaco da figura 17 corresponde ao ábaco para obtenção da espessura de cobrimento
de armadura onde predomina um ambiente para estruturas expostas à variação de maré e/ou
respingos, a qual pode ser considerada uma das situações mais severas para o concreto
armado, do concreto (C10 a C50) e da vida útil desejada (1 a 100 anos). Caso sejam utilizadas
adições de 8% de sílica ativa ou empregados cimentos Portland com teor de �� ≥ 12%, as
espessuras mínimas características de cobrimento de concreto à armadura podem ser
reduzidas em 20%. Ábacos similares são disponíveis para outras condições de exposição.
44
Figura 17: Ábaco para obtenção da espessura de cobrimento às armaduras em função do ambiente onde
predomina exposição à zona de respingos de maré (HELENE, 2001).
Com base na analise de ambos os ábacos, concluímos que a espessura mínima de
cobrimento e a alta qualidade nas propriedades do concreto, aliadas, são fundamentais no
combate as diversas patologias as quais as estruturas estão sujeitas. Conhecendo agora os
conceitos básicos da durabilidade e os elementos que a influenciam, podemos compreender
melhor o ataque de alguns agentes agressivos e seus mecanismos.
6.1.4 Patologias
A corrosão se processa através da interação das estruturas de concreto com o meio ao
qual elas estão expostas ou através da incorporação destes agentes agressivos a pasta de
cimento.
São diversos os meios de deterioração e as patologias manifestadas pelas estruturas, e
uma das mais encontradas é a corrosão de estruturas de concreto armado. Os estudos nessa
área é fundamental para a compreensão desses problemas e desenvolvimento de
45
procedimentos e tecnologias, como a aplicação de aditivos químicos e adições minerais como
o Metacaulim.
Com base em dados de pesquisas realizadas por VELOSO (2002), podemos ter um
parâmetro do volume de recursos que são destinados a manutenção e recuperação de
estruturas debilitadas devido à corrosão das armaduras.
“No Reino Unido, as pontes das grandes autopistas, devido às condições severas de
corrosão, têm os custos de recuperação estimados em mais de US$ 1 bilhão.”
“No Brasil, 20% a 58% dos problemas em pontes, viadutos e outras estruturas em
ambientes marinhos e industriais são provocados por corrosão das armaduras”.
E na Amazônia aproximadamente 60% dos casos de patologias em estruturas apontam
a corrosão das armaduras como principal causa (VELOSO, 2002).
A corrosão de armaduras é marcada pela depreciação do aço, através de processos
químicos ou eletroquímicos provenientes da contaminação por agentes ativos encontrados no
meio ambiente em que a estrutura se localiza.
Dentre os processos de corrosão do concreto armado, os pertinentes a este trabalho são
a expansão por exposição a sulfatos, a despassivação da armadura por carbonatação e a
despassivação devido ao elevado teor de cloretos por absorção capilar.
Segundo HELENE (2001), a primeira patologia citada ocorre devido à presença de
fluídos contaminados com sulfatos em contato com a estrutura, estes compostos reagem com
a pasta de cimento hidratada e possibilitam reações expansivas e deletérias. Vale ressaltar que
esses agentes agressivos não estão apenas relacionados a águas marítimas ou industriais, mas
também aos solos úmidos, ou seja, qualquer fundação pode ou não estar sujeita a este
problema. As características que evidenciam estas reações são a perda de dureza e resistência
superficial do concreto, além a redução de pH nos poros o que pode acarretar na
despassivação da armadura.
Segundo MEHTA et al. (1994), alguns casos de expansão e fissuração por ataque de
sulfatos são conhecidos.
O primeiro caso, devido à presença de hidróxido de cálcio em contato com íons sulfato
converte o monossulfato hidratado (��. ��. KL) da pasta de cimento na sua forma altamente
sulfatada (��. 3��. �), conhecida como entrigita, e que ocorre de acordo com a reação
abaixo:
46
��. ��. KL + 2� + 2� + 12 → ��. 3��. �
O segundo caso ocorre mediante a presença de cátions na solução de sulfato que
podem ser de sódio (%�N� ou magnésio (#$2N), dessa forma o hidróxido de cálcio e o
� − � − da pasta de cimento podem ser convertidos em gipsita devido ao ataque. As
reações procedem da seguinte forma:
%����� + ���� �� + 2 �� → �����. 2 �� + 2%��
#$��� + ���� �� + 2 �� → �����. �� + #$�� ��
3#$��� + 3���. 2����. 3 �� + 8 �� → 3������. 2 ��� + 3#$�� �� + 2����. ��
No ataque por sulfato de sódio a formação do hidróxido de sódio garante a
alcalinidade da pasta e possibilita a estabilidade do � − � − (principal responsável pela
resistência do concreto). No outro caso, ataque por sulfato de magnésio, há formação de
hidróxido de magnésio que é pouco alcalino e compromete a estabilidade do � − � − que
passa a ser atacado pela solução de sulfato. Portanto o ataque por sulfato de magnésio é mais
severo.
Figura 18: Ataque por sulfato no concreto ma Barrage, de Fort Peck, 1971 (MEHTA & MONTEIRO, 1994).
A segunda patologia, representada na figura 19, associada à carbonatação, ocorre
através da penetração de gás carbônico por meio da difusão, reage com os compostos
alcalinos e reduz o pH da pasta. Pelo fato de envolver gases, as estruturas sujeitas a esta
patologia são as envolvidas em ciclos de molhagem e secagem ou as expostas à umidade
47
relativa (UR) ambiente que no intervalo de 60% a 98% tende a favorecer a despassivação
deletéria.
Em ambientes de umidade favorável o dióxido de carbono (���) pode diluir se nos
poros da estrutura e formar o ácido carbônico ( ���), o qual pode reagir com diversos
componentes da pasta de cimento, formando assim o carbonato de cálcio (����) que reagirá
com o hidróxido de cálcio (���� ��). Estas reações consomem os álcalis do concreto, como
o � − � − , e reduz o pH da pasta, ou seja, compromete sua estabilidade. O meio ácido
proporcionado pelo ��� é que permite o avanço do processo:
��� + �� → ���
2 ��� + ���� �� → ��� ���� + 2 ��
��� ���� + ���� �� → 2 ���� + 2 ��
O principal responsável pela alcalinidade da pasta de cimento é o ���� �� e sua
carbonatação provoca a redução do pH do concreto de 12,5, aproximadamente, para valores
na faixa de 8,5 a 9,0. Essa acidez compromete a película de passivação que protege a
armadura, o que torna a estrutura suscetível à corrosão. (CASCUDO, 2001).
Vale observar que a carbonatação não se processa à profundidades ilimitadas do
concreto. Existe uma “frente” que mede o progresso da reação conhecida como Frente de
Carbonatação, a qual situa se entre as duas zonas de pH formadas com a carbonatação. A zona
carbonatada possui um pH da ordem 9,0 enquanto que a zona não-carbonatada possui um pH
da ordem de 12,0. Ou seja, a armadura será passível de corrosão apenas se a frente de
carbonatação a atingir e despassivar.
Algumas substâncias podem ser usadas para leitura da profundidade de carbonatação,
como a fenolftaleína que ao entrar em contato com o concreto identifica a zona não
carbonatada num tom de vermelho e a zona carbonatada permanece incolor. (ANDRADE,
1992).
Este fenômeno não é observado externamente na estrutura até que o mesmo alcance a
armadura, é quando então podem ocorre manchas, fissuras, destacamentos, perdas de seção
e/ou aderência, comprometendo assim partes da estrutura ou ela como um todo.
48
Figura 19: Carbonatação em corpo de concreto armado (viga), (Construtora Geminiani Luigi, 2010).
A terceira patologia é a despassivação por íons cloreto, representada na figura 20. Os
íons podem estar presentes na estrutura de duas maneiras: íons cloro incorporado à pasta de
cimento durante sua elaboração (cloreto intrínseco), através de aceleradores de pega, água de
amassamento, agregados, entre outros, e o cloreto derivado do meio externo (cloreto
extrínseco), comum em ambiente marinho, ou névoa salina, entre outros.
Segundo HELENE (1986), a incorporação de íons cloretos (íon �P) pode dar se de
forma involuntária através de aditivos aceleradores de pega que possuam o Cloreto de Cálcio
(����) como base, agregados oriundos de regiões próximas ao mar e água contaminada, ou
salobras contendo Cloreto de Sódio (%��) e Ácido Muriático utilizado comumente na
limpeza de pastilhas e pisos.
De acordo com CASCUDO (1997), os principais mecanismos de transporte
responsáveis pela concentração iônica dos cloretos e contaminação no concreto são: a
absorção capilar, a difusão iônica, a permeabilidade sob pressão e a migração iônica. Esse
deslocamento é extremamente influenciado pela estrutura porosa do concreto endurecido,
além de outros fatores, como, elevadas temperaturas e fissuras favorecem a mobilidade desses
íons cloreto, em quanto que cimentos com alta concentração de �� retardam o tempo de
início da corrosão.
As estruturas de concreto sujeitas a esse agente são as próximas a regiões litorâneas,
reservatórios de água tratada, piscinas, dentre outros. Podemos então afirmar que a
primeira, região litorânea, enquadra se na orla de Belém e a última pode ser observada na
maioria dos novos condôminos construídos atualmente. As consequências desta patologia são
49
semelhantes as do caso anterior; manchas, fissuras, destacamentos, perdas de seção e/ou
aderência, comprometendo assim partes da estrutura ou ela como um todo.
Figura 20: Ataque por cloretos (Reparo em concreto, 2010).
7 PROGRAMA DE EXPERIMENTOS
A parte experimental da pesquisa foi executada no laboratório de materiais de
construção da Universidade da Amazônia - UNAMA campus Alcindo Cacela durante o
período do segundo semestre do ano de 2010.
Figura 21: Laboratório de materiais de construção.
50
O experimento envolveu a confecção de corpos de prova cilíndricos de concreto nas
dimensões de 10 x 20 cm no traço de 1,00 : 1,59 : 2,59 : 0,52. Este traço apresentado servirá
de referência para a análise das mudanças proporcionadas pela adição mineral Metacaulim
HP. Foram realizadas diferentes porcentagens de adição por substituição em massa de
cimento de 6%, 10% e 14% pela adição mineral, sem alteração na proporção de areia, seixo e
relação água/cimento do traço.
Foi empregado o uso de aditivo químico superplastificante em diferentes dosagens,
seguindo as recomendações de dosagem de acordo com os manuais fornecidos pelo
fabricante. Houve variação na quantidade de aditivo utilizado em cada traço devido a
mudança na trabalhabilidade do concreto de acordo com o aumento do uso da adição mineral
Metacaulim HP. Os traços utilizados estão representados na tabela 9.
Tabela 09 - Traços utilizados no programa de experimento.
Traço cimento : adição : areia : seixo : a/c Aditivo Controle 1,00 : 0,00 : 1,59 : 2,59 : 0,52 0,3% 06% de adição (Metacaulim HP) 0,94 : 0,06 : 1,59 : 2,59 : 0,52 0,5% 10% de adição (Metacaulim HP) 0,90 : 0,10 : 1,59 : 2,59 : 0,52 0,7% 14% de adição (Metacaulim HP) 0,86 : 0,14 : 1,59 : 2,59 : 0,52 0,9%
7.1 MATERIAIS
Os materiais empregados na confecção dos traços foram:
Cimento: o cimento utilizado nos experimentos foi o cimento Portland composto de
filler (CP II-F 32) fabricado pela empresa Poty (grupo Votorantim).
Adição mineral: a adição mineral empregada foi o Metacaulim HP branco, fabricado
pela empresa Metacaulim do Brasil Ltda.
Aditivo químico: o aditivo químico empregado (figura 22) foi o aditivo
superplastificante de 3ª geração com base em policarboxilato Structuro 105, fabricado pela
empresa Anchortec Ltda. Todos os teores da adição utilizadas nos traços estão de acordo com
as recomendações descritas no manual do fabricante que compreende o intervalo de 0,3% a
1,5% sobre a massa do cimento.
51
Figura 22: Aditivo Superplastificante Structuro 105 da Anchortec Ltda.
Agregrado graúdo: foi utilizado como agregrado graúdo seixo rolado proveniente de
jazidas de Ourém-PA. A caracterização deste agregado está representada na tabela 10.
Tabela 10 - Caracterização do seixo rolado.
Peneiras (mm) Massa retida (g) % retida % retida acumulada Método de ensaio
25 0 0 0
NBR NM 248
19 0 0 0 12,5 387,34 7,75 7,75 9,5 1267,60 25,35 33,10 6,3 1342,29 26,85 59,94 4,8 751,82 15,04 74,98 2,4 0 0 74,98 1,2 0 0 74,98 0,6 0 0 74,98 0,3 0 0 74,98 0,15 0 0 74,98
Fundo 1250,95 25,02 100 Total 5000 100 -
Massa específica 1,55 Kg/dm³ NBR NM 52 Massa unitária 1,67 Kg/dm³ NBR NM 7251 Módulo de finura 4,83 NBR NM 248 Diâmetro náximo 19 mm NBR NM 248
Agregrado miúdo: foi utilizado como agregado miúdo areia fina. A caracterização
deste agregado está representada na tabela 11.
52
Tabela 11 - Caracterização da areia fina.
Peneiras (mm) Massa retida (g) % retida % retida acumulada Método de ensaio
4,8 3,13 0,313 0,313
NBR NM 248
2,4 14,21 1,421 1,734 1,2 38,67 3,867 5,601 0,6 128,0 12,800 18,401 0,3 715,09 71,509 89,91 0,15 41,02 4,102 94,012
Fundo 59,88 5,988 100 Total 1000 100 -
Massa específica 2,57 Kg/dm³ NBR 9776 Massa unitária 1,65 Kg/dm³ NBR NM 7251 Módulo de finura 1,20 NBR NM 248 Diâmetro máximo 1,2 mm NBR NM 248
7.2 PROCEDIMENTOS
Os materiais foram misturados em uma betoneira do tipo planetária. Os agregados
graúdos (seixo rolado) foram adicionados na betoneira e saturados com parte da água de
amassamento do traço, seguido do cimento, areia e Metacaulim HP no caso dos traços que
receberam diferentes teores da adição, e por fim o resto da água de amassamento com o
aditivo superplastificante foram adicionadas à mistura.
Após a homogeneização da mistura na betoneira, deu-se início a modelagem corpos de
prova cilíndricos de dimensões 10 x 20 cm. 24 horas depois foi feito o desmolde e os corpos
colocados em cura úmida submersa.
Os ensaios realizados nos corpos de prova de cada traço foram:
• Resistência à compressão aos 7 e 28 dias de idade;
• resistência à tração por compressão diametral aos 7 e 28 dias de idade;
• absorção de água por capilaridade.
A prensa utilizada no ensaio de resistência à compressão axial e tração por compressão
diametral dos corpos de prova foi uma prensa hidráulica da marca EMIC modelo MUE100
com capacidade de 100 toneladas, representada nas figuras 23, 24 e 25.
53
Figura 23: Prensa Hidráulica EMIC.
Figura 24: Prensa executando ensaio de resistência à compressão axial.
Figura 25: Prensa executando ensaio de resistência à tração por compressão diametral.
8 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS
8.1 RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO AXIAL E TRAÇÃO POR COMPRESSÃO DIAMETRAL
Resistência à compressão axial: os resultados do rompimento aos 7 e 28 dias de
idade apresentados na tabela 12 e figura 26 representa a média dos valores obtidos da
resistência à compressão axial dos corpos de prova fornecidos pelos relatórios de ensaio da
prensa hidráulica (ANEXO A - Relatórios de ensaio do rompimento de corpos de prova à
compressão axial aos 7 e 28 dias de idade).
Resistência à tração por compressão diametral: os resultados do rompimento aos 7
e 28 dias de idade apresentados na tabela 13 e figura 27 representa a média dos valores
obtidos da resistência à tração por compressão diametral dos corpos de prova fornecidos pelos
relatórios de ensaio da prensa hidráulica (ANEXO B - Relatórios de ensaio do rompimento de
corpos de prova à tração por compressão diametral aos 7 e 28 dias de idade).
54
Tabela 12 - Resistência à compressão axial aos 7 e 28 dias de idade.
Traço Rompimento aos 7 dias Rompimento aos 28 dias Controle 26,34 MPa 31,88 MPa 6% de adição (Metacaulim HP) 30,48 MPa 33,10 MPa 10% de adição (Metacaulim HP) 34,66 MPa 37,74 MPa 14% de adição (Metacaulim HP) 36,63 MPa 43,20 MPa
Figura 26: Resistência à compressão axial aos 7 e 28 dias de idade.
Tabela 13 - Resistência à tração por compressão axial aos 7 e 28 dias de idade.
Traço Rompimento aos 7 dias Rompimento aos 28 dias Controle 2,11 MPa 2,35 MPa 6% de adição (Metacaulim HP) 2,38 MPa 2,61 MPa 10% de adição (Metacaulim HP) 2,79 MPa 3,34 MPa 14% de adição (Metacaulim HP) 3,43 MPa 3,74 MPa
Figura 27: Resistência à tração por compressão diametral aos 7 e 28 dias de idade.
26,34
31,8830,4833,1034,66
37,7436,63
43,20
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
50,00
7 dias 28 dias
Re
sist
ên
cia
(M
Pa
)
Idade do rompimento
Resistência à Compressão Axial
Controle
6% Metacaulim
10% Metacaulim
14% Metacaulim
2,112,352,38
2,612,79
3,343,433,74
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
7 dias 28 dias
Re
sist
ên
cia
(M
Pa
)
Idade do rompimento
Tração por compressão diametral
Controle
6% Metacaulim
10% Metacaulim
14% Metacaulim
55
8.2 ANÁLISE DOS RESULTADOS DE COMPRESSÃO AXIAL
Diante os resultados apresentados do rompimento dos corpos de prova aos 7 e 28 dias
de idade à compressão axial, aos 7 dias de idade percebe-se o aumento na resistência de
16%, 32% e 39% para 6%, 10% e 14% de adição respectivamente quando comparados ao
traço controle. A maior resistência alcançada aos 7 dias de idade foi de 36,63 MPa,
pertencente ao traço com 14% de adição enquanto que quando o traço controle alcançou a
resistência de 26 MPa, representando um aumento de 42% na resistência.
Aos 28 dias de idade, temos o aumento na resistência de 4%, 19% e 36% para 6%,
10% e 14% de adição respectivamente quando comparados ao traço controle. A maior
resistência alcançada aos 28 dias foi de 43 MPa, pertencente ao traço com 14% de adição
enquanto o traço controle alcançou a resistência de 32 MPa, representando um aumento de
36% na resistência.
Nota-se que aos 7 dias, o salto no aumento da resistência do concreto com 14% de
adição de Metacaulim HP foi substancialmente menor quando comparado aos concretos de
mesma idade com 6% e 10% de adição, representando um salto de apenas 7%. É possível que
aos 7 dias de idade, o baixo teor de hidróxido de cálcio e a abundância da adição possa ter
causado uma saturação do concreto, tornando indisponível o composto para reagir com a
adição, impedindo um aumento mais significativo na resistência da matriz do concreto. A
lenta formação de mais compostos hidratados de hidróxido de cálcio para a reação com a
adição, lenta reação do Metacaulim HP e saturação da adição nos primeiros 7 dias de idade
podem ter causado retardo no surgimento de reações pozolânicas, gerando um menor aumento
na resistência aos 7 dias com altos teores de adição.
Aos 28 dias pode-se notar um aumento na resistência pouco significativo no concreto
com 6% de adição, representando apenas 4% de aumento quando comparado ao concreto
controle enquanto os concretos que receberam 10% e 14% de adição tiveram aumento na
resistência mais significativo, reforçando a conclusão de que a medida que a idade do
concreto avança e mais compostos se hidratam, principalmente o aumento da disponibilidade
do hidróxido de cálcio, o Metacaulim continua a manter suas propriedades reativas gerando
mais compostos com capacidade cimentícia, elevando a resistência com o passar do tempo.
56
8.3 ANÁLISE DOS RESULTADOS DA TRAÇÃO POR COMPRESSÃO DIAMETRAL
O percentual de aumento da resistência à tração apesar de parecer bastante substancial
em termos percentuais, é pouco significativo. Isto se deve a característica do concreto ser
pouco resistência à tração.
O aumento da resistência aos 7 dias de idade foram de 13%, 32% e 63% para os
traços com 6%, 10% e 14% de adição respectivamente quando comparados ao traço controle.
A maior resistência alcançada aos 7 dias de idade foi de 3,43 MPa, pertencente ao traço com
14% de adição enquanto que quando o traço controle alcançou a resistência de 2,11 MPa,
representando um aumento de 63% na resistência.
O aumento da resistência aos 28 dias de idade foram de 11%, 42% e 59% para os
traços com 6%, 10% e 14% de adição respectivamente quando comparados ao traço controle.
A maior resistência alcançada aos 28 dias de idade foi de 3,74 MPa, pertencente ao traço com
14% de adição enquanto que quando o traço controle alcançou a resistência de 2,35 MPa,
representando um aumento de 59% na resistência.
No geral, podemos assumir que as resistências à tração aproximam-se dos 10% da
resistência apresentada à compressão axial, acompanhando a curva de crescimento na
resistência à compressão proporcionado pelos diferentes teores de adição.
8.4 ABSORÇÃO DE ÁGUA POR CAPILARIDADE
Os ensaios de absorção de água por capilaridade foram executados com os corpos de
prova aos 28 dias de idade. Os dados obtidos no ensaio estão representados na tabela 14.
Figura 28: Ensaio de absorção de água por capilaridade.
57
Tabela 14 - Resultados do ensaio de absorção de água por capilaridade
Traço Peso seco Peso molhado Diferença Absorção Controle 3388,79 g 3391,97 g 3,18 g 0,040 g/cm² 6% de adição 3174,02 g 3176,80 g 2,78 g 0,035 g/cm² 10% de adição 3349,16 g 3351,80 g 2,64 g 0,033 g/cm² 14% de adição 3437,26 g 3439,72 g 2,46 g 0,031 g/cm²
Figura 29: Gráfico da redução na absorção.
Os resultados comprovam que o aumento do teor de adição de Metacaulim HP
contribuiu para a redução da porosidade do concreto, exercendo influência direta sobre a
capacidade de absorção de água do mesmo. Houve uma redução nos valores de 0,040 g/cm2
do concreto controle, sem qualquer adição, para 0,031 g/cm2 no concreto com 14% de adição
de Metacaulim HP, ou seja, uma redução de 29% na absorção capilar.
9 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O Metacaulim demonstra ser um grande aliado para os construtores que buscam
concretos com maior durabilidade e características mecânicas. Investir na utilização da
adição, somada ao emprego de aditivos, exercemos controle sobre suas propriedades,
proporcionando ao concreto uma melhor qualidade.
É importante evidenciar a importância destas tecnologias em adições minerais e
aditivos químicos para que cada vez mais se torne comum o seu emprego em nossas obras,
evitar patologias e elevar a qualidade das estruturas em concreto.
0%
14%
21%
29%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
%
Redução na absorção
58
Portanto, podemos chegar a algumas conclusões com o conhecimento adquirido com o
estudo do concreto, suas patologias, propriedades, adição de Metacaulim e aditivos químicos,
quando analisados em conjunto dos resultados dos experimentos, seus benefícios tem efeitos
positivos em cascata:
- Aumento da durabilidade do concreto através do combate das patologias;
- aumento da resistência mecânica do concreto, permitindo aos projetistas fazer uso de
vãos maiores e afastamento de pilares;
- redução da seção de elementos estruturais ou quantidade de armação necessária para
combater esforços em lajes, vigas e pilares devido o aumento da resistência;
- economia de custos, tempo e materiais com a redução de seções e desforma mais
rápida proporcionada por fck elevados em menores idades;
- aumento do valor agregado do empreendimento.
59
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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63
ANEXOS
ANEXO A - Relatórios de ensaio do
rompimento de corpos de prova à compressão
axial aos 7 e 28 dias de idade
ANEXO B - Relatórios de ensaio do
rompimento de corpos de prova à tração por
compressão diametral aos 7 e 28 dias de idade