Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP

Departamento de Engenharia de Construção Civil

ISSN 0103-9830

BT/PCC/224

A Influência da Temperatura naHidratação dos Cimentos de

Escória de Alto-Forno

Maristela Gomes da SilvaVahan Agopyan

São Paulo - 1998

Escola Politécnica da Universidade de São PauloDepartamento de Engenharia de Construção CivilBoletim Técnico - Série BT/PCC

Diretor: Prof. Dr. Antônio Marcos de Aguirra MassolaVice-Diretor: Prof. Dr. Vahan Agopyan

Chefe do Departamento: Prof. Dr. Alex Kenya AbikoSuplente do Chefe do Departamento: Prof. Dr. João da Rocha Lima Junior

Conselho EditorialProf. Dr. Alex AbikoProf. Dr. Francisco CardosoProf. Dr. João da Rocha Lima Jr.Prof. Dr. Orestes Marraccini GonçalvesProf. Dr. Antônio Domingues de FigueiredoProf. Dr. Cheng Liang Yee

Coordenador TécnicoProf. Dr. Alex Abiko

O Boletim Técnico é uma publicação da Escola Politécnica da USP/Departamento deEngenharia de Construção Civil, fruto de pesquisas realizadas por docentes epesquisadores desta Universidade.

Este texto faz parte da tese de doutorado de mesmo título que se encontra à disposição comos autores ou na biblioteca da Engenharia Civil.

A INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA NA HIDRATAÇÃO DOS

CIMENTOS DE ESCÓRIA DE ALTO-FORNO

RESUMO

Uma das possibil idades de reciclagem da escória granulada de alto-forno é aprodução de cimentos constituídos por escória de alto-forno e ativadoresquímicos. A indústria de pré-fabricadas constitui uma alternativa potencialpara o emprego destes cimentos, mais beneficiados pelo aumento detemperatura do que o cimento Portland. A cura térmica acelera as reações dehidratação e o endurecimento dos cimentos de escória de alto-forno,permitindo a redução do teor de ativador necessário para o atendimento daresistência à compressão inicial especif icada pelo projetista e para asoperações de desforma, transporte e manuseio das peças pré-fabricadas.

As reações de hidratação dos cimentos de escória têm sua velocidadecontrolada principalmente pela reatividade da escória, t ipo e concentração doativador e temperatura.

O objetivo principal deste artigo é discutir o efeito da temperatura na cinéticadas reações de hidratação, produtos hidratados, microestrutura e porosidade,velocidade de liberação de calor e calor de hidratação acumulado eresistência à compressão de pastas e argamassas de cimentos de escória.Com isso, pretende-se comprovar e discutir a razão da maior ef iciência dacura térmica em cimentos de escória.

1. INTRODUÇÃO

As reações de hidratação do cimento de escória têm sua velocidadecontrolada por alguns fatores, quais sejam:

• reatividade da escória: função de parâmetros de produção, composiçãoquímica, f inura e características da partícula, sendo que teoreselevados de vidro favorecem a hidratação da escória (SMOLCZYK,1980; SATO, 1986; JOHN, 1995).

• t ipo de ativador: o t ipo de cátion alcalino e o ânion. associado uti l izadona ativação química da escória tem inf luência signif icativa navelocidade de reação (VOÏNOVITCH; DRON, 1976; GLUKHOVSKY etal., 1980; SMOLCZYK, 1980; DAIMON, 1980; DRON, 1984; REGOURD,1986, ROBINS; JOLICOEUR, 1991; WANG et al., 1995, JOHN, 1995).

• concentração dos reagentes: o teor relativo ativador/escória inf luenciaa velocidade de reação (WANG et al., 1994; JOHN, 1995). Da mesmaforma, a diminuição da relação água/cimento, por resultar em aumentoda concentração dos reagentes, aumenta a velocidade das reações.

• efeito da temperatura: as reações químicas normalmente acontecemmais rapidamente com o aumento da temperatura, sendo que umaumento de 100C em relação à temperatura ambiente geralmente dobraa velocidade de reação (FINE; BEALL, 1990; ATKINS; JONES, 1997). Asolubil idade da escória cresce com o aumento da temperatura(TRAWERS, 1938; SATARIN; SYKRIN, 1969; ILLER, 1979; BATTAGIN,1992; BATTAGIN, 1993). Da mesma forma, o aumento da temperaturamelhora as condições de dissolução-precipitação para que a escória oativador reajam entre si.

Em função da interação de todos esses fatores, o desenvolvimento do estudoda cinética das reações de hidratação do cimento de escória torna-seextremamente complexo, razão pela qual se adota um tratamento bem maissimplif icado.

O objetivo principal deste artigo é discutir o efeito da temperatura na cinéticadas reações de hidratação do cimento de escória e nos produtos hidratados,partindo de conceitos de cinética e termodinâmica2 das reações químicas edos vários avanços observados nos estudos de hidratação do cimentoPortland. Com isso, pretende-se comprovar e discutir a razão da maioref iciência da cura térmica em cimento de escória (GLUKHOVSKY et al., 1983;TALLING, 1985a; TALLING, 1989b; ROY; MALEK, 1993; TALLINQBRANDSTETR, 1993; CAMARINI, 1995).

2. INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA NA VELOCIDADE DE REAÇÃO

A ativação térmica da escória explora a grande inf luência da temperatura nacinética das reações químicas. Vários autores verif icaram que o aumento datemperatura resulta em aumento da solubil idade da escória e da velocidadede reação de hidratação (TRAWERS, 1938; SATARIN; SYKRIN, 1969;GLUKHOVSKY et al., 1983;

1 palavra que em grego signif ica movimento (QUAGLIANO; VALLARINO,1985).2 palavra que em grego signif ica movimento de calor (QUAGLIANO;VALLARINO, 1985).

TALLING, 1985a; TALLING, 1989b; ROY; MALEK, 1993; TALLING;BRANDSTETR, 1993; CAMARIM, 1995).

Um fator importante no entendimento da inf luência da temperatura nasreações químicas é energia cinética mínima para a reação dos reagentes eformação de produtos, denominada energia de ativação 3 (FINE; BEALL,1990; DAINTITH, 1996; ATKINS; JONES, 1997).

A primeira formulação quantitativa sobre a inf luência da temperatura navelocidade de reação foi proposta por Arrhenius 4 há cerca de um séculoatrás (Eq. 1) (FINE; BEALL, 1990).

A Eq. 1, denominada equação de Arrhenius, também pode ser uti l izada paraquantif icar a energia de ativação e a inf luência da temperatura na velocidadede hidratação do cimento Portland e do cimento de escória de alto-forno(COPELAND et al, 1960; REGOURD; GAUTIER, 1980; ROY; IDORN, 1982;WU et al., 1983; KJELLSEN; DETWILER, 1992; GJORV, 1991; ROY,PARKER, 1983; SCRIVENER; WIEKER, 1992; SHI; DAY, 1993).

É importante ressaltar que quanto maior a energia de ativação EA, maior é ainf luência da temperatura no desencadeamento da reação (FINE; BEALL,1990; ATKINS; JONES, 1997). Assim, a velocidade de reações com pequenasenergias de ativação (10kJ/mol, por exemplo) é apenas levemente aceleradacom o aumento de temperatura,

3 este conceito de energia de ativação é obtido a partir de um modelos paragases e estendido para as reações químicas em geral. Nas reações emmeio aquoso, incluindo a hidratação do cimento, o fator mais importante é amaior ou menor difusão de íons no meio.

4 Svante Arrhenius, um dos mais conhecidos químicos suecos e ganhador doprêmio Nobel de Química de 1903. Propôs a primeira formulaçãoquantitativa sobre a sensibil idade das velocidades de reação às mudançasde temperatura (FINE; BEALL, 1990; BRADY, 1990).

enquanto esta inf luência é muito maior naquelas reações com energias deativação mais elevadas (60kJ/mol, por exemplo) (ATKINS; JONES, 1997).

3. ENERGIA DE ATIVAÇÃO NA HIDRATAÇÃO DOS CIMENTOS COMESCÓRIA DE ALTO-FORNO

O conceito de reação química ativada não é muito fácil de ser entendidodentro da Química dos aglomerantes, em virtude do caráter expontâneo dasreações de hidratação do cimento. Ainda assim, esse conceito mostra-seapropriado para o entendimento da inf luência da temperatura na hidratação econveniente para a determinação da maturidade das argamassas e concretos(COURTAULT; BRIAND, 1979; PAULINI, 1980; ROY; IDORN, 1982; WU et al.,1983; CHENGJU, 1989).

Em função do elevado grau de complexidade das reações de hidratação docimento, a energia de ativação é determinada a partir de uma função querelaciona a modif icação de uma propriedade particular ao longo do tempo, auma determinada temperatura. Uma dessas propriedades pode ser aliberação de calor de hidratação ou o grau de hidratação.

A maior parte dos trabalhos publicados comprovam que a energia deativação, EA, da hidratação do cimento Portland, pode ser determinada apartir das curvas relativas entre o progresso da hidratação e o calor dehidratação l iberado a uma dada temperatura (REINSDORF, 1964; REGOURD,1980; REGOURD et al., 1980; REGOURD; GAUTIER, 1980; GAUTIER;REGOURD, 1982; KOUAKOU et al., 1996). Alguns pesquisadores tambémdiscutem a possibil idade de determinação da energia de ativação diretamentea partir das curvas de calor de hidratação acumulado (WU et al., 1990; ZHOUet al., 1993)5. Nestes dois casos é necessário fazer duas aproximações:

• excluir o calor l iberado no período de reações iniciais e de indução, e

• considerar o calor total como sendo aquele desenvolvido a partir doinício de pega até o f inal do efeito térmico.

Analisando resultados experimentais, alguns pesquisadores observaram queaté 40ºC as quantidades totais de calor desenvolvido são da mesmaordem de grandeza do que a

5 infelizmente, esses autores não são muito claros nos ajustes estatísticospara obtenção da reta 1/P x 1/T e eliminação de resultados experimentais.

20ºC, mas a quantidade de calor medido a temperaturas superiores (60ºC e80ºC) é inferior ao obtido a 20ºC (REGOURD; GAUTIER, 1980; GAUTIER;REGOURD, 1982). Esta redução de 5% a 60ºC e de 10% a 80ºC implicou nanecessidade da proposição de um coeficiente de correção, que depende datemperatura de cura.

A Figura 1 apresenta as curvas calorimétricas a 20ºC, 60ºC e 80º e de graude hidratação (a), em valores relativos. Como o grau de hidratação (α )representa a evolução das reações de hidratação em cada temperatura,medido em valores relativos em função do tempo, a relação dos temposnecessários para obtenção de um mesmo grau de hidratação, em duastemperaturas, permanece constante para qualquer valor de α (REGOURD;GAUTIER, 1980). Comprova-se, com isso, que essas curvas são af ins e queo valor do grau de hidratação (α ) é alcançado num tempo 10 vezes menor a60ºC do que a 20ºC, e 26 vezes menor a 80ºC do que a 20ºC (Figura 1).

No item 2 está apresentado que a Equação de Arrhenius (Eq. 1) pode serempregada para quantif icar a inf luência da temperatura na velocidade dehidratação do cimento Portland. A energia de ativação pode, então, serdeterminada a partir da Eq. 1 , adotando a temperatura de 20ºC comoreferência.

Os valores de energia de ativação na hidratação do cimento Portlandcalculados a partir da Eq. 1 e dos dados da Figura 1 são 47,9kJ/mol e46,7kJ/mol para as temperaturas de 60'C e 80OC, respectivamente. Essesresultados são muito próximos aos experimentalmente obtidos porREGOURD; GAUTIER (1980) e GAUTIER, REGOURD (1982).

Com base em dados publicados na literatura, os valores de energia deativação na hidratação do cimento Portland varia de 42 a 47kJ/mol, obtidos atemperaturas de 10, 20, 40, 60 e 80ºC (REGOURD; GAUTIER, 1980;GAUTIER, REGOURD, 1982; WU et al., 1983; WU et al., 1990).

Em estudo de ativação térmica em cimento Portland com escória (28,5% declínquer, 66.5% de escória e 5% de gipsita) nas temperaturas de 20ºC, 50ºCe 80ºC, encontrou-se um valor de energia de ativação igual a 56kJ/mol.Portanto, a energia de ativação na hidratação do cimento com escória é maiselevada do que à do cimento Portland. Esse fato justif ica a maior ef iciênciada cura térmica em componentes de cimento com escória (BLONDIAU, 1963a;BLONDIAU, 1963b; BLONDIAU, 1963c; REGOURD et al., 1980; WU et al.,1983; CAMARIM, 1995).

O cimento de escória ativada com sil icato de sódio (75,3 g/l de Na2O e 72,9g/l de SiO2), apresenta energia de ativação na hidratação aproximadamenteigual a 53,63kJ/mol, similar à do cimento Portland com adição de escória.Assim, os benefícios o aumento de temperatura são também maximizadospara o caso dos cimentos de escória (GLUKHOVSKY et al., 1983; TALLING,1985a; ANDERSSON et al., 1988; TALLING, 1989b; SHI et al., 1991; ZHOU etal., 1993, ROY; MALEK, 1993; TALLING; BRANDSTETR, 1993; SHI; DAY,1995; SHI; DAY, 1996; SILVA, 1998).

É importante enfatizar que o mecanismo e a velocidade de hidratação docimento Portland variam com o progresso da reação. Alguns estudosconcluíram que a partir de um grau de hidratação (α ) próximo a 30%, avelocidade de hidratação é controlada pela difusão iônica através da camadade compostos hidratados que vão se depositando ao redor dos grãos anidros(BRUNAUER, 1973; KJELLSEN; DETWILER, 1992).

Um outro aspecto merecedor de relevância é que a energia de ativação deum processo quimicamente controlado geralmente é superior a 42kJ/mol,enquanto que a energia de ativação de um processo controlado por difusãonão é maior que 210/mol. Já foi

apresentado no item 2 que quanto maior a energia de ativação EA, maior é ainf luência da temperatura no desencadeamento da reação (FINE; BEALL,1990; ATKINS; JONES, 1997). Além disso, a difusão é praticamenteindependente da temperatura, também justif icando a maior ef iciência da curatérmica quando empregada no início da hidratação do cimento (KJELLSEN;DETWILLER, 1992).

Portanto, o melhor momento de se aplicar a cura térmica é nos primeirosestágios da hidratação, particularmente logo após o início de pega, onde omecanismo é quimicamente controlado pela dissolução-precipitação(KJELLSEN; DETWILER, 1992).

4. INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA NAS PROPRIEDADES DE PASTAS EARGAMASSAS DE CIMENTOS DE ESCÓRIA

4.1 Compostos hidratados

A temperatura de cura (até 60º), da mesma forma que observado para ocimento Portland (VENUAT, 1973; VENUAT, 1975; CAMARIM, 1995), nãoinf luencia os compostos hidratados presentes no cimento de escória ativadacom sil icato de sódio, NaOH, cal hidratada e cal hidratada + gipsita (SILVA,1998). Esta constatação é confirmada por outros pesquisadores(MALOLEPSZY; DEJA, 1988; SHI et al., 1991; SHI et al., 1992).

A temperatura parece interferir na modif icação da estrutura e distribuição dasvárias fases presentes no cimento (SCRIVENER; WIEYER, 1992).

O principal composto hidratado identif icado nos estudos de difração de raiosX e de microscopia eletrônica de varredura em nas pastas de cimentos deescória ativada com sil icato de sódio, NaOH, cal hidratada e cal hidratada +gipsita é o C-S-H (I) (SILVA, 1998). Esta observação é consistente com osresultados de outros pesquisadores, (REGOURD, 1980; VOÏNOVITCH,RAVERDY; DRON, 1980; TEOREANU, 1980; KUTTI, 1992; DRON, 1984;UCHIKAWA, 1986; SHI et al., 1992; TANGO; VAIDERGORIN, 1992; WANGSCRIVENER, 1995; JOHN, 1995; SHI, 1997).

Outras composições de menor resistência mecânica dos cimentos de escóriaapresentam, na difração de raios X, os picos previstos por TAYLOR (1990) eRICHARDSON et al.

(1993) (SILVA, 1998). Assim, também é possível identif icar as faseshidrogranada, hidrotalcita, AFm, aluminato tetracálcico, monocarboaluminatode cálcio (SILVA, 1998). 0 hidróxido de cálcio e a calcita aparecem nosvários cimentos estudados, mas em maior quantidade na ativação com calhidratada (SILVA, 1998). A fase AFt aparece principalmente na ativação comcal hidratada + gipsita (SILVA, 1998).

Alguns modelos apontam uma relação entre aumento de resistência mecânicacom o aumento da fração não cristalina da pasta de cimento (TAYLOR, 1977;BEAUDOIN; FELDMAN, 1985). Esta conclusão mostra-se verdadeira para oscimentos de escória, onde as composições de maior resistência àcompressão (ativação com sil icato de sódio com teor de Na20 igual a 4,5 e5%) apresentam um menor grau de cristalinidade, com picos mais alargadose com menor número de picos de C-S-H (SILVA, 1998).

Esta menor cristalinidade também resulta em menor porosidade, como pôdeser comprovado nos estudos SILVA (1998) e nos resultados de JOHN (1995),podendo também justif icar o aumento de resistência mecânica nascomposições com menor grau de organização cristalina.

Não é identif icada a formação de zeólitas, indicando que os íons Na 2+ estãoprovavelmente incorporados em outros compostos hidratados, principalmenteo C-S-H (JOHN, 1995; WANG; SCRIVENER, 1995; SILVA, 1998).

A presença de material anidro é muito evidente nos estudos de microscopia,sobretudo para a ativação com cal hidratada, NaOH e cal hidratada + gipsita,que ref lete a menor ef iciência destes ativadores na hidratação da escória(SILVA, 1998). A cura térmica também parece favorecer o aumento daquantidade de material não hidratado (SILVA, 1998)

Este efeito da temperatura de cura em aumentar a quantidade de materialnão hidratado, também observado nos estudos de cura térmica em cimentoPortland, pode ser principalmente justif icado pela provável formação dematerial hidratado ao redor dos grão anidros, que inibe o prosseguimento dahidratação (VERBECK; HELMUTH, 1968; SOROKA; JAGERMANN; BENTUR,1978; CAMARIM, 1995).

Além disso, à temperatura ambiente, tem-se tempo suficiente para a melhordistribuição e precipitação de produtos de hidratação, o que nãoacontece com a elevação da temperatura de cura. Observa-se,com isso, uma tendência de concentração de

compostos hidratados na proximidade dos grãos anidros, que acaba pordif icultar a difusão de íons e o prosseguimento das reações de hidratação(KJELLSEN; DETWILER, 1991; KJELLSEN; DETWILLER, 1992; CAMARINI,1995).

Na ativação com sil icato de sódio é possível identif icar ainda a presença degrandes regiões de material não hidratado, crescente com o aumento do teorde Na20 e Si02 do sil icato de sódio e com o aumento da temperatura de cura(SILVA, 1998). Neste caso, ao efeito da temperatura soma-se a inf luência doaumento do teor de Na20 e Si02 do sil icato de sódio (SILVA, 1998)

Novamente, a principal justif icativa para esta concentração é a provávelformação de material hidratado ao redor dos grão anidros, que inibe oprosseguimento da hidratação e afeta negativamente a resistência àcompressão nas idades mais avançadas (VERBECK; HELMUTH, 1968;SOROKA; JAGERMANN; BENTUR, 1978; CAMARINI, 1995, SILVA, 1998).

4.2 Microestrutura e porosidade

Como discutido no i tem 4.1 , os mesmos compostos hidratados observadosem pastas curadas à temperatura ambiente são também encontrados naspastas de cimentos de escória de alto-forno submetidas à cura térmica,sobretudo com temperatura máxima de cura próxima a 60ºC (SILVA, 1998). Amaior inf luência da temperatura está na alteração da estrutura e distribuiçãodos compostos hidratados dos cimentos de escória (SILVA, 1998).

A textura do C-S-H, evidenciada nos estudos de microscopia eletrônica devarredura, do cimento de escória ativada com sil icato de sódio com 2% deNa20 (MS=1,7), NaOH, cal hidratada e cal hidratada + gipsita é muitosemelhante entre si, diferindo apenas do cimento de escória ativada comsilicato de sódio com 5% de Na20 (MS=1,7), cujo C-S-H tende aapresentar-se extremamente denso e mal cristalizado (SILVA, 1998). Emnenhum desses cimentos de escória é possível notar a inf luência datemperatura de cura na textura do C-S-H.

É importante também ressaltar que a relação C/S do C-S-H do cimento deescória ativada com sil icato de sódio, NaOH e cal hidratada + gipsita varia de1,15 (sil icato de

sódio com 5% de Na20) a 1,7 (cal hidratada + gipsita) (SILVA, 1998), muitomenor do que a do C-S-H do cimento Portland 6 (TAYLOR, 1990; UCHIKAWA,1986).

Em decorrência dessa menor relação C/S, observa-se maior incorporação deNa+ e K+ em substituição ao Ca 2+ no C-S-H do cimento de escória ativadacom sil icato de sódio, NaOH e cal hidratada + gipsita (KALOUSEK, 1944;MACPHEE, 1989 TALLING; BRANDSTETR, 1989; ROY et al., 1989, SILVA,1998).

Esta conclusão não é válida, porém, para a ativação com 5% de cal hidratadacuja relação C/S do C-S-H aproximadamente igual 4 mostra-se muito superiorà do cimento Portland (SILVA, 1998).

0 aumento da cristalinidade observado na difração de raios X, sobretudo paraativação com NaOH, cal hidratada e cal hidratada + gipsita não pode sergenericamente atribuído à redução da relação C/S (SILVA, 1998). A relaçãoC/S do C-S-H do cimento de escória ativada com cal hidratada + gipsita, porexemplo, é muito próxima à do C-S-H do cimento de escória ativada comsilicato de sódio com 2% de Na20 (MS= 1,7). Apesar disso, existe umaenorme diferença no grau de cristalinidade destes dois cimentos, observadanos difratogramas, de raios X (SILVA, 1998)

De um modo geral, o aumento da temperatura de cura não inf luencia arelação C/S do C-S-H dos cimentos de escória, apenas tende a aumentar arelação C/S do C-S-H do cimento de escória ativada com cal hidratada de 3,3para 4.

A tendência de aumento de porosidade com o aumento da temperatura decura, observada nos estudos de cura térmica em cimento Portland(KJELLSEN; DETWILER, 1991a, KJELLSEN; DETWILER, 1991b; KJELLSEN;DETWILLER, 1992; SCRIVENER; WIEKER, 1992; CAMARINI, 1995), tambémparece acontecer no cimento de escória (SILVA, 1998). Esta tendênciatambém é conseqüência da concentração de compostos hidratados ao redordos grãos anidros do cimento, que dif iculta o prosseguimento da hidratação(KJELLSEN; DETWILER, 1991a, KJELLSEN; DETWILER, 1994; KJELLSEN;DETWILLER, 1992; CAMARINI, 1995; SILVA, 1998).

6 a relação C/S do C-S-H da pasta de cimento Port land é próxima a 3 (TAYLOR,1990).

Assim, a grande porosidade, resultado em parte do efeito da elevação datemperatura de cura e em parte da pouca quantidade de material hidratadopara preencher os vazios entre os grãos, também pode ser observada naspastas de cimento de escória ativada com NaOH, cal hidratada, cal hidratada+ gipsita, e, em menor escala, na ativação com sil icato de sódio com 2% deNa20 (MS=1,7) (SILVA, 1998).

Para o caso do cimento de escória ativada com sil icato de sódio com 5% deNa20 (MS=-1,7) é possível observar, ao microscópio eletrônico de varredura,a presença de grandes poros, provavelmente associados ao adensamentoinsuficiente (SILVA, 1998).

Os poros observados nas pastas de cimentos de escória que aparecem emquantidade ainda maior nos corpos-de-prova de argamassa submetidos àcura térmica, enfatizam a importância da seleção do tempo de espera paracontrolar os problemas de dilatação/expansão volumétrica com o aumento datemperatura de cura (SILVA, 1998).

4.3 Resistência à compressão

0 aumento temperatura de cura acelera fortemente o desenvolvimento deresistência mecânica nos cimentos de escória, sendo possível alcançarimediatamente após o ciclo de cura ciclo cerca de 70 a 80% da resistênciaaos 28 dias de idade (GLUKHOVSKY et al., 1983; TALLING, 1985a;ANDERSSON et al., 1988; TALLING, 1989b; ROY; MALEK, 1993; TALLING;BRANDSTETR, 1993; SILVA, 1998). 0 crescimento posterior de resistência,porém, é muito inferior ao observado quando da uti l ização da cura úmidaconvencional (ANDERSSON et al., 1988; SILVA, 1998).

4.4 Hidratação e calor de hidratação

A Tabela 1 apresenta a inf luência da temperatura no tempo de início e f im depega de cimentos de escória, determinado a partir das curvas de velocidadede liberação de calor obtidas com o emprego do calorímetro de condução(SILVA, 1998).

Na Tabela 1 observa-se a grande redução do tempo de início e f im de pegacom o aumento da temperatura. Este efeito é, de um modo geral, observadonos vários estágios de hidratação e nas curvas de calor de hidrataçãoacumulado dos cimentos de escória (SILVA, 1998).

De um modo geral, o aumento de temperatura de hidratação dos cimentos deescória, acelera o. tempo de início de pega, diminui a intensidade do picoinicial de liberação de calor, diminui o período de indução e aumenta aintensidade e o estreitamento do 2º pico de liberação de calor (SILVA, 1998).A principal justif icativa para esta inf luência da temperatura nas curvas develocidade de liberação de calor é o aumento da velocidade da reação dehidratação com o aumento da temperatura, resultado da maior solubil idadeda escória e da aceleração da precipitação de compostos hidratados(TRAWERS, 1938; SATARIN; SYKRIN, 1969; ILLER, 1979; GLUKHOVSKY etal., 1983; TALLING, 1985a; TALLING, 1989b; BATTAGIN, 1992; BATTAGIN,1993; ROY; MALEK, 1993; TALLING; BRANDSTETR, 1993; CAMARIM, 1995;SILVA, 1998).

No caso específ ico do sil icato de sódio, o fato da temperatura diminuir aviscosidade da solução, facil i ta a difusão do íon Ca2+, atenua o efeitonegativo do aumento do teor de Si02 e impede ou dif iculta a formação dacamada impermeável rica em sílica, que cria uma barreira para continuidadeda hidratação (SILVA, 1998). Estas justif icativas são

também consubstanciadas pela diminuição do período de indução observadacom o aumento de temperatura (SILVA, 1998).

O aumento do calor de hidratação acumulado com o aumento datemperatura, apesar de menos signif icativo do que observado para o cimentoPortland comum, é observado para o cimentos de escória, exceto para o casodo cimento de escória ativada com cal hidratada + gipsita e, de forma menossignif icativa, para os cimentos de escória ativada com sil icato de sódio com2% de Na2O (MS=1,5 e 1,7) e NaOH (5% de Na2O).

A partir da comparação do tempo transcorrido entre o início da hidratação e oaparecimento do pico de aceleração, da altura do pico de aceleração e docalor de hidratação liberado é possível avaliar a inf luência da temperatura nahidratação do cimento de escória (Tabela 2).

Observa-se na Tabela 2 que a temperatura de hidratação aumentaconsideravelmente o início e a intensidade do pico de aceleração, apesar depouco inf luenciar o calor de hidratação acumulado.

A grande inf luência da temperatura na hidratação do cimento de escória,maior do que observada no cimento Portland corrobora os resultados deoutros pesquisadores (ZHOU et al., 1993; SHI et al., 1991; SHI; DAY, 1995;SHI; DAY, 1996; SILVA, 1998). Esta conclusão comprova que o cimento deescória possui maior energia de ativação do que o cimento Portland, sendodo mesmo modo que o cimento com adição de escória mais beneficiado pelacura térmica.

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

A cura térmica (temperatura máxima de 60º), da mesma forma que observadopara o cimento Portland, não inf luencia os compostos hidratados presentesno cimento de escória ativada com sil icato de sódio, NaOH, cal hidratada ecal hidratada + gipsita. A temperatura de cura interfere de forma maissignif icativa na modif icação da estrutura e na distribuição dos compostoshidratados na pasta de cimento de escória.

O principal composto hidratado identif icado nos estudos de difração de raiosX e de microscopia eletrônica de varredura em todas as pastas estudadas é oC-S-H (I).

A textura do C-S-H, evidenciada nos estudos de microscopia eletrônica devarredura da pasta de cimento de escória ativada com sil icato de sódio com2% de Na2O (MS=1,7), NaOH, cal hidratada e cal hidratada + gipsita é muitosemelhante entre si, diferindo apenas do cimento de escória ativada comsilicato de sódio com 5% de Na2O (MS=1,7), cujo C-S-H apresenta-se muitomais denso e mal cristalizado. Em nenhum desses cimentos estudados épossível notar a inf luência da temperatura de cura na textura do C-S-H.

A relação C/S do C-S-H do cimento de escória ativada com sil icato de sódio,NaOH e cal hidratada + gipsita varia de 1,15 (cimento de escória ativado comsilicato de sódio com 5% de Na2O) a 1,7 (cimento de escória ativada com calhidratada + gipsita), mas pode chegar a 4 (cimento de escória ativada com5% de cal hidratada). De um modo geral, o aumento da temperatura de curanão inf luencia signif icativamente a relação C/S do C-S-H dos cimentos deescória. Como resultado da menor relação OS do C-S-H do cimento deescória ativada com sil icato de sódio, NaOH e cal hidratada + gipsita,observa-se maior incorporação de Na+ e K, em substituição ao Ca2+ doC-S-H.

O aumento da cristalinidade observado na difração de raios X, sobretudopara ativação com NaOH, cal hidratada e cal hidratada + gipsita, não podeser genericamente atribuído à redução da relação C/S. A relação C/S doC-S-11 do cimento de escória ativada com cal + gipsita, por exemplo, é muitopróxima à do C-S-H do cimento de escória ativada com sil icato de sódio com2% de Na2O (MS=1,7). Apesar disso, existe uma grande diferença no grau decristalinidade destes dois cimentos.

Outras composições de menor resistência mecânica do cimento de escóriatambém aparecem nos difratogramas; de raios X do cimento, de escória,sendo possível identif icar as fases hidrogranada, hidrotalcita, AFm, aluminatotetracálcico, monocarboaluminato de cálcio. O hidróxido de cálcio e a calcitaaparecem nos vários cimentos estudados, mas em maior quantidade naativação com cal hidratada. A fase AFt aparece principalmente na ativaçãocom cal hidratada + gipsita.

Alguns modelos que relacionam o aumento de resistência mecânica com oaumento da fração não cristalina da pasta de cimento Portland são tambémválidos para o cimento de escória. Assim, as composições de maiorresistência à compressão (ativação com sil icato de sódio com teor de Na2Oigual a 4,5 e 5% apresentam um menor grau de cristalinidade, com picosmais alargados e com menor número de picos de C-S-H.

Esta menor cristalinidade também resulta em menor porosidade, como podeser comprovado nos estudos de resistência à compressão e microscopiaeletrônica de varredura nas composições com menor grau de organizaçãocristalina.

Não é identif icada a formação de zeólitas no cimento de escória, indicandoque os íons Na2+ estão provavelmente incorporados em outros compostoshidratados, principalmente o C-S-H.

A presença de material anidro é muito evidente nos estudos de microscopiaeletrônica de varredura e microanálise por EDS, sobretudo para a ativaçãocom NaOH, cal hidratada e cal hidratada + gipsita, que comprova a menoref iciência destes ativadores na hidratação da escória. A cura térmica tambémparece favorecer o aumento da quantidade de material não hidratado.

Este efeito da temperatura de cura em aumentar a quantidade de materialnão hidratado, também observado nos estudos de cura térmica em cimentoPortland, pode ser

principalmente justif icado pela provável formação de material hidratado aoredor dos grão anidros, que inibe o prosseguimento da hidratação .

Além disso, à temperatura ambiente, há tempo suficiente para a melhordistribuição e precipitação de produtos de hidratação, o mesmo nãoacontecendo com a elevação da temperatura de cura. Observa-se, com isso,uma tendência de concentração de compostos hidratados na proximidade dosgrãos anidros, que acaba por dif icultar a difusão de íons e o prosseguimentodas reações de hidratação.

Na ativação com sil icato de sódio é possível identif icar ainda a presença degrandes regiões de material não hidratado, crescente com o aumento do teorde Na2O e SiO2 do sil icato de sódio e com o aumento da temperatura. Nestecaso, ao efeito do aumento da temperatura de cura, soma-se a inf luência doaumento do teor de Na2O e SiO2 do sil icato de sódio.

Novamente, a principal justif icativa para a existência dessas regiões dematerial não hidratado é a provável formação de material hidratado ao redordos grão anidros, que inibe o prosseguimento da hidratação e afetanegativamente a resistência à compressão nas idades mais avançadas.

A grande porosidade, resultado em parte do efeito da elevação datemperatura de cura e em parte da pouca quantidade de material hidratadopara preencher os vazios entre os grãos, também pode ser observada naspastas de cimento de escória ativada com NaOH, cal hidratada, cal hidratada+ gipsita e, em menor escala, na ativação com sil icato de sódio com 2% deNa2O (MS=1,7).

Para o caso do cimento de escória ativada com sil icato de sódio com 5% deNa2O (MS=-1,7) é possível observar, ao microscópio eletrônico de varredura,a presença de grandes poros, provavelmente associados ao adensamentoinsuficiente, que pode ser explicado pela dif iculdade de mistura e oadensamento dos corpos-de-prova rápida em decorrência da mudança nareologia da pasta e argamassa confeccionada com este cimento.

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BT/PCC/204 Proteção do concreto - Uma Necessidade em Indústrias de Celulose e Papel-WELLINGTON L. REPETTE, PAULO HELENE. 16 p.

BT/PCC/205 Intervenção Habitacional em Cortiços na Cidade de São Paulo: 0 Mutirão CelsoGarcia -FRANCISCO DE ASSIS COMARQ ALEX KENYA ABIKO. 20 p.

BT/PCC/206 Mutirão Habitacional: Adequação de Processos e Sistemas Construtivos -VIVIANE PALOMBO CONCíLIO, ALEX KENYA ABIKO. 20 p.

BT/PCC/207 Reconstituição de Traço de Argamassas: Atualização do Método IPT -VALDECIR ANGELO QUARCIONI, MARIA ALBA CINCOTTO. 27 p.

BT/PCC/208 Avaliação de Desempenho de Componentes e Elementos ConstrutivosInovadores Destinados a Habitações. Proposições Específicas à Avaliação doDesempenho Estrutural - CLÁUDIO V. MITIDIERI FILHO, PAULO R. L.HELENE. 38 p.

BT/PCC/209 Base de Dados Espacial Computadorizada para o Projeto Colaborativo na Áreade

Edificações - SÉRGIO LEAL FERREIRA, ALEXANDRE KAWANO. 15 p.BTIPCC/210 Metodologia para Elaboração do Projeto do Canteiro de Obras de Edifícios -

EMERSON DE ANDRADE MARQUES FERREIRA, LUIZ SÉRGIO FRANCO. 20p.

BTIPCC/211 Reflexões sobre uma Experiência Realizada no Curso de Engenharia Mecânicada UNESP -Campus de Ilha Solteira - ZULIND LUZMARINA FREITAS, DANTEFRANCISCO VICTÓRIO GUELPA. 10 p.

BT/PCC/212 Inibidores de Corrosão - Influência nas Propriedades do Concreto - RENATOLUIZ MACEDO FONSECA, JOÃO GASPAR DJANIKIAN. 20 p.

BT/PCC/213 Ray Tracing Parametrizado Incremental - EDUARDO TOLEDO SANTOS, JOÃOANTÔNIO ZUFFO. 09 p.

BT/PCC/214 Modelo para Previsão do Comportamento de Aquecedores de Acumulação emSistemas Prediais de Água Quente - ARON LOPES PETRUCCI, EDUARDOIOSHIMOTO. 26 p.

BTIPCC/215 Influência da Formulação das Tintas de Base Acrílica como Barreira Contra aPenetração de Agentes Agressivos nos Concretos - KAI LOH UEMOTO,VAHAN AGOPYAN 20 p..

BT/PCC/216 Análise da Porosidade e de Propriedades de Transporte de Massa emConcretos - NEIDE MATIKO NAKATA SATO, VAHAN AGOPYAN. 20 p.

BT/PCC/217 Estruturação Urbana: Conceito e Processo. WITOLD ZMITROWICZ. 51 p.BT/PCC/218 Formação da Taxa de Retorno em Empreendimentos de Base Imobiliária.

JOÃO DA ROCHA LIMA JUNIOR. 36 p.BT/PCC/219 Ligação de Peças Estruturais de Madeira com Tubos Metálicos. CARLOS

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Otimizado dos Sistemas Prediais de Esgotos Sanitários. DANIEL C. SANTOS,ORESTES MARRACCINI GONÇALVES. 12 p.

BT/PCC/221 Implantação de um Sistema de Gestão da Qualidade em Empresas deArquitetura. JOSAPHAT LOPES BAíA, SILVIO BURRATTINO MELHADO. 21 p.

BT/PCC/222 Proposta de Classificação de Materiais e Componentes Construtivos comRelação ao Comportamento Frente ao Fogo - Reação ao Fogo. MARCELOLUIS MITIDIERI, EDUARDO IOSHIMOTO. 25 p.

BT/PCC/223 Contribuição ao Estudo das Técnicas de Preparo da Base no Desempenho dosRevestimentos de Argamassa. MÁRIO COLLANTES CANDIA, LUIZ SÉRGIOFRANCO. 13 p.

BT/PCC/224 A Influência da Temperatura na Hidratação dos Cimentos de Escória deAlto-Forno. MARISTELA GOMES DA SILVA, VAHAN AGOPYAN. 20 p.