Versão online: http://www.lneg.pt/iedt/unidades/16/paginas/26/30/185 Comunicações Geológicas (2014) 101, Especial III, 1155-1159 IX CNG/2º CoGePLiP, Porto 2014 ISSN: 0873-948X; e-ISSN: 1647-581X

Reatividade aos álcalis de agregados graníticos portugueses. Caraterização petrográfica vs ensaios de expansão Alkali reactivity of Portuguese granitic aggregates. Petrographic characterization vs expansion tests V. Ramos1*, I. Fernandes2, F. Noronha2, A. Santos Silva3

© 2014 LNEG – Laboratório Nacional de Geologia e Energia IP

Resumo: A ocorrência de reações álcalis-sílica (RAS) em estruturas de betão foi reconhecida pela primeira vez em Portugal no início da década de 90 do século passado. Desde então um grande volume de trabalho tem vindo a ser desenvolvido com o objetivo de estudar os agregados para betão, criar medidas preventivas da reação, monitorizar e reparar as estruturas afetadas. No presente trabalho resume-se o estudo realizado para a caracterização de oito granitos portugueses provenientes de pedreiras atualmente em exploração para obtenção de agregados para betão. A caracterização seguiu os procedimentos previstos nas normas nacionais e internacionais em vigor e incluiu um conjunto de ensaios que se distribuem em dois métodos principais: petrografia com análise petrográfica; ensaios de expansão envolvendo a produção de barras de argamassa e prismas de betão expostos a diferentes condições ambientais. Os ensaios permitiram determinar a reatividade potencial de alguns destes agregados e tecem considerações sobre possíveis modificações a propor na revisão das normas nacionais. Palavras-chave: RAS, Granitos, Petrografia, Ensaios de expansão. Abstract: In Portugal, the alkali-silica reaction (ASR) was recognized for the first time in concrete structures in the beginning of the 1990’s. Since then, a lot of work has been carried out in order to study the concrete aggregates, to prevent the reactions and to monitor and repair the affected structures. The work presented in this paper summarizes the tests performed and the results obtained in the characterization of eight granitic Portuguese aggregates that are currently being exploited for concrete purposes. The study of the aggregates followed national and international standards and focused in two main groups of tests: analysis under polarizing microscopy; mortar-bar and concrete prisms expansion tests in which the specimens are exposed to various environmental conditions. These tests identified the potential reactivity of some of the studied aggregates and allowed to make considerations about possible alterations in the the revision of national standards. Keywords: ASR, Granites, Petrography, Expansion tests.

1Centro de Geologia da Universidade do Porto, Porto, Portugal. 2Departamento de Geociências, Ambiente e Ordenamento do Território, Faculdade de Ciências da Universidade do Porto e Centro de Geologia da Universidade do Porto, Porto, Portugal. 3Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa, Portugal. *Autor correspondente / Corresponding author: violetaramos@gmail.com

1. Introdução

As reações álcalis-sílica (RAS) são reações químicas que se desenvolvem entre formas de sílica reativas existentes nos agregados e os iões alcalinos e hidroxilos provenientes da solução intersticial do betão. Não existe consenso a nível internacional sobre a reatividade aos álcalis de agregados graníticos, embora existam casos reportados de degradação de estruturas de betão por RAS com este tipo de agregados (RILEM AAR-1.1, 2013). Em Portugal também existem casos de RAS envolvendo agregados graníticos (Fernandes et al., 2004; Silva, 2005), pelo que a caraterização da sua reatividade reveste-se da maior importância. O comportamento dos agregados graníticos portugueses em relação às RAS é complexo e as atuais metodologias de avaliação apresentam limitações. O trabalho que se apresenta visou não só prever o comportamento das rochas graníticas quando utilizadas como agregado para betão como, principalmente, verificar qual o ensaio que melhor traduz o seu comportamento em obra.

2. Materiais e métodos

No âmbito do projeto nacional IMPROVE (Melhoria do desempenho de agregados para inibição das reações álcalis-agregado no betão) foram investigados oito agregados graníticos, de diferentes pedreiras ativas situadas no norte e centro de Portugal. Estas amostras foram designadas por GR1, GR2, GR3, GR7, GR17, GR18, GR19 e GR20.

A caraterização da reatividade aos álcalis envolveu a análise petrográfica e ensaios de expansão, nomeadamente de barras de argamassa conservadas a 80ºC (ASTM C 1260) e de prismas de betão conservados a 60ºC (RILEM AAR-4.1) e a 38ºC (RILEM AAR-3). Para a realização dos ensaios foram recolhidos cerca de 100 kg de agregado britado por pedreira e amostras de mão para produção de lâminas delgadas com uma espessura de 30 µm.

Artigo Curto Short Article

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2.1. Caraterização petrográfica

As lâminas delgadas foram estudadas ao microscópio polarizante Nikon Eclipse E 400 POL, com contador automático de pontos PELCON acoplado e câmara fotográfica Zeiss Axio Cam, disponíveis na Universidade do Porto. A avaliação da reatividade seguiu as recomendações da RILEM AAR-1.1 (2013) (Classe I – não reativo; Classe II – potencialmente reativo; Classe III – reativo), tendo-se baseado na quantificação do quartzo microcristalino (< 100 µm), incluindo mirmequites, e na medição do ângulo de extinção ondulante dos cristais de quartzo de acordo com o procedimento descrito em DeHills & Corvallán (1964) e com a classificação expressa na Especificação Portuguesa LNEC E 415 (1993).

2.2. Ensaios de expansão

Os agregados foram moídos, peneirados e pesados de acordo com os requisitos expressos nas normas ASTM C 1260 (2007), RILEM AAR-4.1 (2013) e RILEM AAR-3 (2013). Os ensaios foram realizados no Laboratório

Nacional de Engenharia Civil (LNEC). Como critérios de interpretação dos resultados utilizaram-se os apresentados em RILEM AAR-0 (2013), Silva & Braga Reis (2000), Lindgård et al. (2010) e LNEC E 461 (2007).

3. Resultados

3.1. Análise petrográfica

Os resultados da caracterização petrográfica encontram-se sumariados na tabela 1. De acordo com as percentagens de quartzo microcristalino quantificadas em cada um dos agregados, apenas os agregados GR1, GR2 e GR18 apresentam teores de quartzo microcristalino superiores a 2,0% (% vol), sendo classificados tanto pela RILEM AAR-1.1 (2013) como pelo LNEC E 461 (2007) como Classe II (potencialmente reativos). Os restantes agregados são classificados como não reativos (Classe I). Na figura 1 encontram-se ilustrados alguns aspetos texturais e mineralógicos dos agregados graníticos estudados.

Tabela 1. Resultados da caracterização petrográfica dos granitos em estudo.

Table 1. Results of the petrographic characterization of the investigated granites.

Fig. 1. A) Extinção ondulante em cristais de quartzo (GR1); B) Orientação preferencial de cristais de quartzo com subgranulação acompanhados por quartzo recristalizado (GR2); C) Microfraturas intergranulares preenchidas por óxidos (GR3). Fig. 1. A) Undulatory extinction angle of quartz crystals (GR1); B) Preferred orientation of quartz crystals with subgraining and recrystallized quartz grains (GR2); C) Intergranular microcracks filled with oxides (GR3).

Caraterização petrográfica de agregados 1157 3.2. Ensaios de expansão

Os resultados dos ensaios de expansão ASTM C 1260, RILEM AAR-4.1 e RILEM AAR-3 são apresentados nas figuras 2A a 2C. A figura 2A evidencia que no ensaio ASTM C 1260 todos os agregados graníticos apresentaram, após catorze dias em solução de NaOH, valores de expansão inferiores a 0,10%. De acordo com o critério de interpretação em RILEM AAR-0, estes resultados são indicativos de um comportamento não reativo dos agregados. Decidiu-se estender o período de ensaio até aos vinte e oito dias para confirmar se o valor de expansão ultrapassa os 0,20%, o que não se veio a confirmar, o que de acordo com Silva & Braga Reis (2000) os classificaria como não reativos. Note-se que o agregado que apresentou maior expansão no final do ensaio foi o GR18, mas sem estabilização das curvas de expansão para nenhum dos agregados em estudo.

Relativamente ao ensaio RILEM AAR-4.1 (Fig. 2B), os critérios de interpretação variam tanto no limite inferior de reatividade como na duração do ensaio. De acordo com o critério em LNEC E 461 (2007) (0,02% às doze

semanas) os agregados GR2, GR3, GR17, GR18 e GR20 são potencialmente reativos. Segundo RILEM AAR-0 (2013) (0,02% às quinze semanas), os agregados GR2, GR17 e GR20 são potencialmente reativos. De acordo com Lindgård et al. (2010) (0,03% às vinte semanas), todos os agregados são classificados como potencialmente reativos, com exceção de GR1 e GR7. Verifica-se, no entanto, que após vinte semanas de ensaio nenhuma curva de expansão atingiu a estabilização.

De acordo com o critério em RILEM AAR-0 (2013) para o ensaio RILEM AAR-3 (Fig. 2C), resultados inferiores a 0,05% após um ano indicam agregados não reativos, enquanto resultados superiores a 0,10% indicam agregados reativos. Para valores compreendidos entre 0,05% e 0,10% ainda não existe concordância quanto à interpretação mais adequada, sendo neste caso seguido o critério estabelecido em LNEC E 461 (2007) segundo o qual uma expansão acima de 0,05% após um ano é suficiente para considerar o agregado como reativo. Tal é o caso do agregado GR2 que apresenta uma expansão final de 0,06% e ainda não estabilizada.

Fig. 2. Desempenho dos agregados graníticos estudados: A) ASTM C 1260; B) RILEM AAR-4.1; C) RILEM AAR-3 (as linhas a ponteado indicam os limites de reatividade admitidos por diferentes autores). Fig. 2. Performance of the granitic aggregates: A) ASTM C 1260; B) RILEM AAR-4.1; C) RILEM AAR-3 (the dotted lines indicate the reactivity limits admitted by different authors).

1158 V. Ramos et al. / Comunicações Geológicas (2014) 101, Especial III, 1155-1159 4. Discussão

De acordo com a análise petrográfica, apenas os agregados GR1, GR2 e GR18 apresentam percentagens de quartzo microcristalino superiores a 2,0 vol%, o que os classifica como Classe II segundo RILEM AAR-1.1 (2013) e LNEC E 461 (2007) (Ramos, 2013). O agregado GR2 distingue-se claramente por ser o que apresenta maior volume de quartzo microcristalino (21,7 vol%), seguido de GR18 (4,8 vol%) e GR1 (2,4 vol%). Dada a eventual variação de caraterísticas destes agregados numa mesma pedreira, a abordagem da Especificação LNEC E 461 (2007) é conservativa e torna obrigatório realizar ensaios de expansão em complemento da análise petrográfica.

A comparação dos resultados da caraterização petrográfica e do ensaio ASTM C 1260 permite verificar que este ensaio não corrobora os resultados da petrografia, classificando todos os agregados graníticos como não reativos. A experiência nacional mostra que este método não é eficaz quando aplicado a agregados graníticos (Silva, 2005), facto que poderá atribuir-se à destruição da microestrutura original dos agregados durante a moagem para a obtenção das frações finas necessárias neste ensaio (Lu et al., 2006).

É importante relembrar que os agregados graníticos são considerados como agregados de reação lenta em termos de desenvolvimento de RAS. Assim, será mais adequado admitir para o RILEM AAR-4.1 o critério que utiliza um período de ensaio de vinte semanas (Lindgård et al., 2010). De facto, com este critério obtém-se um maior número de agregados graníticos classificados como potencialmente reativos. A reatividade potencial detetada para o agregado GR3 em RILEM AAR-4.1 é, provavelmente, justificada pela grande abundância de microfraturas neste agregado que facilitam o acesso dos fluidos intersticiais à sílica dos agregados

(Velasco-Torres et al., 2010). O pressuposto na LNEC E 461 (2007) de que a caraterização petrográfica não é suficiente para a classificação dos agregados graníticos parece justificar-se, visto que alguns comportamentos expansivos no ensaio RILEM AAR-4.1 não foram identificados na análise petrográfica.

Nas figuras 3A e 3B comparam-se os valores de expansão dos agregados graníticos no ensaio RILEM AAR-4.1, de acordo com o critério em Lindgård et al. (2010), tanto com as respetivas percentagens de quartzo microcristalino (Fig. 3A) como com os ângulos de extinção ondulante (Fig. 3B). É possível verificar uma tendência positiva entre os parâmetros analisados, o que vem ao encontro do que é postulado nas Especificações LNEC E 461 (2007) e LNEC E 415 (1993).

O ensaio RILEM AAR-3 pode ser considerado como inadequado para identificação de agregados de reação lenta (Lindgård et al., 2010). Este ensaio foi, também, considerado como inconclusivo ao fim de um período de ensaio de um ano pois um período mais prolongado poderá ser necessário para que as expansões atinjam o limite crítico que é considerado para este ensaio (Shayan, 2007; RILEM AAR-0, 2013).

Os resultados obtidos estão em consonância com o defendido em Lindgård et al. (2010) de que o ensaio RILEM AAR-4.1 é mais eficaz do que o RILEM AAR-3 na avaliação de agregados de reação lenta, apesar deste último método utilizar temperatura mais baixa (38ºC), aproximando-se das condições reais a que as estruturas estarão expostas. Este comportamento é, também, verificado nos agregados estudados, os quais começam a expandir mais cedo no RILEM AAR-4.1 do que no RILEM AAR-3.

Fig. 3. Comparação entre as expansões dos agregados no ensaio RILEM AAR-4.1 de acordo com o critério em Lindgård et al. (2010) e: (A) as respetivas percentagens de quartzo microcristalino; (B) os graus de extinção ondulante dos cristais de quartzo (as linhas a ponteado indicam os limites de reatividade admitidos nos diferentes documentos/normas). Fig. 3. Comparison between the expansions of the aggregates in RILEM AAR-4.1 according to the criterion in Lindgård et al. (2010) and: (A) the respective percentages of microcrystalline quartz; (B) the angles of undulatory extinction of quartz crystals (the dotted lines indicate the limits of reactivity admitted in the different documents/recommendations).

Caraterização petrográfica de agregados 1159 5. Conclusões

Da comparação dos resultados da caraterização petrográfica e dos diferentes ensaios de expansão é possível concluir o seguinte em relação aos agregados graníticos investigados: − o ângulo de extinção ondulante deve ser utilizado como um

possível indicador de RAS contrariando as recomendações internacionais;

− para além da quantificação do quartzo microcristalino, a presença de microfraturas deve ser considerada na avaliação da reatividade dos agregados;

− o ensaio ASTM C 1260 nunca deverá ser utilizado isoladamente na avaliação de agregados reativos de reação lenta, sugerindo-se que na próxima revisão da Especificação Nacional seja considerada a alteração da duração do ensaio e/ou do limite inferior de identificação da reatividade;

− o ensaio RILEM AAR-4.1 é aquele que deteta um maior número de agregados como potencialmente reativos. O uso do critério de interpretação em Lindgård et al. (2010) é sugerido como o mais adequado a este tipo de agregados;

− existe uma tendência positiva de relação entre o comportamento dos agregados no ensaio de expansão RILEM AAR-4.1 tanto com a percentagem de quartzo microcristalino como com o ângulo de extinção ondulante, sugerindo que a análise petrográfica (mais rápida) possa ser indicativa da tendência do desempenho destes agregados;

− o ensaio RILEM AAR-3 deverá ser prolongado para além de um ano para uma avaliação mais correta do comportamento deste tipo de agregados, embora se reconheça que essa longa duração possa constituir um obstáculo para a sua aplicação.

Agradecimentos

Os autores agradecem à Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) pelo financiamento do Projeto IMPROVE (Ref: PTDC/ECM/115486/2009). Os autores afiliados ao CGUP agradecem o apoio da FCT através do Projeto Estratégico (PEst-OE/CTE/UI0039/2014). A autora V. Ramos agradece à FCT pelo financiamento da bolsa de doutoramento (Ref: SFRH/BD/47893/2008).

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