ANÁLISE DA POROSIDADE E DE PROPRIEDADES DE TRANSPORTE DE MASSA EM CONCRETOS

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1 ANÁLISE DA POROSIDADE E DE PROPRIEDADES DE TRANSPORTE DE MASSA EM CONCRETOS Autor: Neide Matiko Nakata Sato Orientador: Prof. Dr. Vahan Agopyan RESUMO O desempenho do concreto, enquanto barreira para diminuição do transporte de agentes potencialmente causadores de corrosão das armaduras, está relacionado com a sua porosidade. Assim, modificar a porosidade do concreto pode ser um solução econômica, eficiente e simples para aumentar a durabilidade do concreto armado. Dentro deste contexto, este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de analisar a influência do volume total de vazios e das dimensões dos poros nas propriedades de transporte de água, de íons cloreto e de CO 2 em concretos, sendo abordado em maior profundidade, o transporte de água. Neste aspecto, foi proposto e avaliado um modelo de transporte de água em concretos não saturados visando estabelecer um método para a previsão da quantidade de água absorvida por concretos em função do tempo. Foi também desenvolvido um método de medição da difusividade hidráulica, que é um parâmetro necessário para o modelo proposto. O estudo foi conduzido com concretos com dois níveis de porosidade total tendo, em cada nível, duas distribuições distintas de dimensões de poros. A modificação na porosidade total foi feita alterando-se a relação água/cimento e as dimensões de poros foram modificadas utilizando-se dois tipos de cimento: o Portland comum, disponível comercialmente, e o Portland com adição de escória, preparado em laboratório. Foi avaliada a influência da porosidade total e das dimensões de poros no transporte de massa, analisando-se a penetração de íons cloreto, a profundidade de carbonatação, o teor de umidade de equilíbrio, a difusividade de água, a absortividade de água e a penetração de água sob pressão, em função das dimensões e volume de poros dos concretos. O modelo de transporte de água em meios não saturados foi avaliado, comparando-se os valores de concentração de água medidos, com os valores calculados teoricamente a partir de valores de difusividade hidráulica medidos. ABSTRACT Concrete s porosity is related to its performance as a barrier to reduce the transport of aggressive agents which can give rise to the steel reinforcement corrosion. Thus, the alteration of concrete porosity can be a single, economic and efficient way to increase the durability of reinforced concrete. This research was developed with the aim of analysing the influence of concrete total pore volume and pore dimensions on water, chloride ion and CO 2 transport though it. The water transport properties were investigated in more detail.

2 In this aspect, a model to describe the water transport through initialy unsaturated concrete was proposed and evaluated in order to give allowances to predict the quantity of water absorved as a function of time. It was also developed a method for the measurement of hydraulic diffusivity of concretes which is necessary to the proposed model. The study was carried on with concretes having two levels of total porosity. In each level of porosity, there were two different pore dimensions. The alteration of total porosity was obtained with two w/c contents and the pore dimensions were changed using two types of cements: usual Portland (commercial) and Portland cement + slag (prepared in laboratory). The evaluation of the influence of total porosity and pore dimensions on mass transport was done with the analysis of chloride ion penetration, carbonation depth, equilibrium humidity content, water diffusivity, water absortivity and water penetration penetrated under pressure as a function of total pore volume and pore dimensions. The water transport model through unsaturated materials was evaluated by the comparison of the measured water concentration in concrete with the theoretical concentration calculated with the measured hydraulic diffusivity. 1 INTRODUÇÃO O concreto contém em seus poros uma solução de elevada alcalinidade, com ph variando de 12 a 13, devido principalmente ao hidróxido de cálcio formado nas reações de hidratação dos silicatos do cimento e aos álcalis incorporados no clinquer. Em razão de sua natureza alcalina, esta solução proporciona um meio adequado para a formação de uma camada de óxidos, fina, compacta e aderente, na superfície da armadura. Enquanto a solução presente nos poros do concreto conservar o seu caráter básico e for isenta de agentes agressivos, essa camada de óxidos continua presente, protegendo a armadura contra a corrosão. Assim, o concreto tem que manter a estabilidade química da solução intersticial e ao mesmo tempo, servir de barreira física contra a penetração de agentes agressivos ao metal, como os íons cloreto que, quando em presença de água e oxigênio, possuem a capacidade de destruir localmente esta camada, iniciando o processo de corrosão da armadura. Os íons cloreto podem ser provenientes da água do mar em contacto com o concreto, da atmosfera marinha ou industrial ou mesmo da lavagem de fachadas e pisos com ácido muriático (HELENE, 1993). O CO 2 presente na atmosfera, constitui-se num outro agente agressivo pois, ao reagir principalmente com o hidróxido de cálcio do concreto, faz com que o ph da sua solução intersticial diminua, podendo levar à despassivação da armadura. Este processo de reação é conhecido como carbonatação. O transporte destes agentes agressivos para o interior do concreto se dá principalmente por mecanismos de absorção capilar, permeabilidade 1 e difusão, podendo ainda ocorrer migração iônica no caso da penetração de cloretos. 1 O termo permeabilidade foi utilizado para representar o mecanismo de transporte que ocorre quando um meio saturado está submetido à ação de pressões externas.

3 A taxa de transporte de agentes agressivos por meio da absorção e permeabilidade é governada pela taxa de penetração de água, pois somente através da umidade é que os agentes são transportados para o interior do concreto. Além da água no estado líquido, a presença de umidade nos poros do concreto na forma de vapor influi também no ingresso dos agentes, principalmente o gás carbônico. Isto se deve ao fato de que a difusão é o principal processo pelo qual o dióxido de carbono penetra no concreto, atravessando os poros com ar e também com água. Ocorre que a difusão do CO 2 na fase líquida é de aproximadamente 10 4 vezes menor que na fase gasosa (HELENE, 1993). Por outro lado, poros muito secos favorecem a difusão, porém dificultam a reação de carbonatação. A umidade desempenha então um papel preponderante na taxa de carbonatação bem como de ingresso de cloretos. Para proteger a armadura é necessário, portanto, controlar a entrada dos agentes agressivos e também da umidade, agente interveniente no processo de deterioração do concreto armado. Além de outras técnicas menos empregadas no país, como a proteção catódica, a proteção pode ser conferida pela utilização de revestimentos aplicados sobre o concreto, ou buscando a melhoria do seu desempenho enquanto barreira ao transporte de agentes agressivos e intervenientes o que, de uma forma genérica, implica na alteração de sua estrutura porosa. Dentre estas duas alternativas, a modificação na porosidade é ainda a solução mais econômica, eficiente e mais simples de ser executada. A mudança na estrutura do espaço poroso pode ser feita tanto por meio da diminuição do volume total de vazios como também com modificações na distribuição de tamanho de poros. O desenvolvimento do espaço poroso do concreto não depende somente da sua composição mas, também, das condições de cura e de exposição. Nos concretos curados ao ar, observa-se que a porosidade varia com a distância em relação à superfície exposta, devido às alterações no grau de hidratação, consequentes ao gradiente de umidade, que existe nesta região em função do transporte de umidade que ocorre entre o material e o meio externo. Pode haver ainda alteração na porosidade em decorrência de reações químicas entre as substâncias presentes no meio ambiente e no concreto, como é o caso da reação de carbonatação, com diminuição da porosidade do concreto. As considerações citadas mostram a importância de pesquisas visando o estudo da influência da estrutura porosa na taxa de transporte de água e agentes agressivos para o interior do concreto. Com a prática comum, nos últimos anos, do emprego de adições minerais ao cimento, como as pozolanas e a escória de alto-forno, permitindo a obtenção de concretos com poros de dimensões menores e, consequentemente, de maior durabilidade, este assunto passou a merecer maior destaque. Dentro deste enfoque, este estudo foi realizado com concretos de cimento Portland comum e de cimento com escória. Escolheu-se a escória por ser um rejeito industrial de volume significativo no Brasil (JOHN, 1995). Além disso, os últimos trabalhos realizados no país não abordam a questão da porosidade e dos fenômenos de transporte de massa (MARQUES, 1994 e BAUER, 1995). Em outros países, esta questão é mais estudada em cimentos com adição de cinza volante e materiais pozolânicos. 2 OBJETIVO Considerando-se que a melhoria no desempenho do concreto enquanto barreira para diminuição do transporte de agentes agressivos está relacionada com modificações de

4 sua estrutura porosa, esta tese foi desenvolvida com o objetivo de analisar a influência do volume total de vazios e das dimensões dos poros nas propriedades de transporte de água, de íons cloreto e de CO 2 em concretos, sendo abordado em maior profundidade, o transporte de água. Neste aspecto, foi proposto e avaliado um modelo de transporte de água em concretos não saturados, visando estabelecer um método para a previsão da quantidade de água absorvida por concretos em função do tempo. Foi também desenvolvido um método de medição da difusividade hidráulica, que é um parâmetro necessário para o modelo proposto. O estudo foi conduzido com concretos com dois níveis de porosidade total tendo, em cada nível, duas distribuições distintas de dimensões de poros. A modificação na porosidade total foi feita alterando-se a relação água/cimento e as dimensões de poros foram modificadas utilizando-se dois tipos de cimento: o Portland comum, disponível comercialmente, e o Portland com adição de escória, preparado em laboratório. 3 PROGRAMA EXPERIMENTAL, MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 Programa experimental Até a década passada, considerava-se que o desenvolvimento do espaço poroso de pastas moldadas com agregados era semelhante ao de pastas sem agregados. Assim, os estudos de porosidade do concreto eram realizados com amostras de pastas de mesmo traço do concreto de interesse, o que facilitava muito as pesquisas devido à menor quantidade de material utilizado e também às menores dimensões dos corpos-de-prova necessários para os estudos. Atualmente, sabe-se que a porosidade ao redor dos agregados é maior que nas regiões mais distantes destes elementos, fazendo com que a porosidade da pasta sem agregado seja diferente daquela com agregado. Em função disto, decidiu-se realizar este estudo com amostras de concreto. A seleção dos materiais a serem estudados foi feita visando a obtenção de materiais com dois níveis de porosidade total, tendo em cada nível, duas distribuições distintas de dimensões de poros. Para a obtenção de concretos com os dois níveis de porosidade total diferentes, foram selecionados para o estudo, dois traços de concreto com cimento Portland comum, com resistência à compressão característica de 20 MPa e 40 MPa que correspondem, respectivamente, ao concreto de resistência média de uso no mercado (entre18 MPa e 22 MPa) e a um concreto com porosidade significativamente menor. O cimento escolhido foi o CP - I, por não conter adições. Para a obtenção de concretos com porosidade total semelhante, mas com distribuição de dimensões de poros menores, com os mesmos traços dos concretos de cimento Portland comum, foram preparados concretos substituindo-se 70% de cimento Portland por escória. O teor de substituição foi definido com base na Norma Brasileira - EB Cimento Portland de alto forno que estabelece este limite de adição. Além da obtenção de dimensões de poros diferentes, a escória foi selecionada considerando-se a tendência mundial de uso de concretos de cimento com adição. Na Figura 3.1 está esquematizada esta forma de definição dos materiais utilizados e dos concretos a serem estudados:

5 - Dois níveis de porosidade total - Distribuições de dimensões de poros diferentes Traço 1 Traço 2 Cimento Portland comum Cimento Portland (30%) + escória (70%) Cimento Portland comum Cimento Portland (30%) + escória (70%) Figura 3. 1 Esquema síntese de seleção de materiais Além dos materiais empregados, da dosagem e da idade, o desenvolvimento do espaço poroso do concreto depende também das condições de cura e de exposição. Os concretos expostos ao ar apresentam porosidade diferente nas regiões próximas à superfície quando comparada com as regiões mais internas, devido às diferenças no processo de hidratação e às reações químicas que podem ocorrer entre as substâncias presentes no meio ambiente e no concreto, como é o caso da reação de carbonatação. Um outro fato a ser considerado é a interação que existe entre o teor de umidade ambiente e a porosidade, o primeiro influindo na hidratação do cimento e na ocorrência de reações químicas e em consequência na porosidade e esta afetando a quantidade de umidade retida no material. Estas inter-relações, estão representadas na Figura 3.2: Materiais Exposição Dosagem Porosidade Teor de umidade Transporte de massa Figura 3. 2 Fatores que interferem na porosidade e no transporte de massa Tendo em vista a análise do comportamento dos concretos em condições de uso, definiu-se que os concretos a serem estudados seriam moldados em forma de placas e expostos em estação de envelhecimento natural. O estudo foi realizado com os concretos apresentando idade superior a 240 dias. Esta etapa foi conduzida visando analisar a influência da porosidade total e da distribuição de dimensões de poros no comportamento do concreto quanto ao transporte dos principais agentes que interferem na corrosão da armadura, ou seja, o transporte dos agentes

6 agressivos, que são os íons cloreto e o gás carbônico e os agentes intervenientes que são a água e o vapor de água. Os concretos foram então estudados quanto ao seu comportamento em relação a: - penetração de íons cloreto; - profundidade de carbonatação; - teor de umidade de equilíbrio; - difusividade de água; - sortividade; - penetração de água sob pressão. Com o objetivo de poder fazer uma previsão da quantidade de água absorvida por concretos em função do tempo, foi desenvolvido um método de ensaio para determinação de características do concreto com relação ao transporte de água no seu interior, conforme apresentado na seção Além disto, os dados medidos foram utilizados para a aplicação e validação de modelo de transporte de água no interior do concreto. Um esquema do programa experimental está resumido na Tabela 3.1: Tabela Resumo do programa experimental Objetivo Variáveis consideradas Distribuição de dimensões de poros Índice de vazios Caracterizar a porosidade Dimensões observadas em Microscópio eletrônico de varredura Penetração de íons cloreto Profundidade de carbonatação Avaliar o comportamento do Teor de umidade de equilíbrio concreto em relação ao Sortividade transporte de massa Penetração de água sob pressão Avaliar modelo de transporte de água líquida Difusividade de água Difusividade de água 3.2 Materiais Cimento Portland O cimento Portland selecionado foi o CP- I, por não conter adições Escória de alto forno Utilizou-se neste estudo a mesma escória proveniente da COSIPA, caracterizada em pesquisa realizada anteriormente (JOHN, 1995). De acordo com essa pesquisa, a escória apresentava relação CaO/SiO 2 = 1,24, com teor de vidro determinado por contagem ao microscópio de 97% e índice de refração de 1,65. A difração de raios X (CuK α ) não revelou a presença de produtos cristalinos, apenas o halo vítreo centrado em 31 o (2θ ). A escória foi moída em moinho de bolas de laboratório, em lotes de 20 kg, sendo posteriormente homogeneizadas. A moagem foi feita até a obtenção de 513 m 2 /kg de finura Blaine (NBR 7224/ 84), de modo que, misturada ao cimento Portland CP- I do

7 estudo, resultou num cimento composto com finura de 441 kg/m 3, valor representativo de um cimento de alto forno usualmente encontrado no mercado Areia Empregou-se areia média proveniente do rio Tietê Brita Para a confecção dos concretos utilizou-se brita 1 (granito) proveniente da pedreira Riúma Concreto A partir de dosagem experimental, realizada pelo método do IPT ( TANGO, 1993 ) foram determinados os traços de concreto de cimento Portland comum com resistência à compressão característica de 20 MPa e 40 MPa pré-fixadas. Na Tabela 3.1 estão apresentados estes traços: Tabela Traços dos concretos Traço (cimento:agreg. miúdo: agreg. graúdo) Relação A/c Agreg.total/ cimento - m Consumo de cimento (Portland I) C Resistência à compressão (MPa) (kg/kg) (kg/kg) (kg/kg) (kg/m 3 ) 7 dias 28 dias 1 : 1,4 : 2,6 0,44 4, ,1 41,0 1 : 2,84 : 4,16 0, ,8 20, Preparação de amostras Com os traços definidos na dosagem experimental, foram preparados os concretos com cimento Portland comum e com escória, os quais estão identificados nesta tese na forma indicada na Tabela 3.2: Tabela 3.2 Identificação dos concretos Identificação do concreto Traço (aglom.:agreg. Miúdo:agreg. Graúdo) Aglomerante Relação a/c CP 20 1 : 1,4 : 2,6 Cimento Portland 0,76 CPE 20 1 : 1,4 : 2,6 Cimento Portland (30%) + escória (70%) 0,76 CP 40 1 : 2,84 : 4,16 Cimento Portland 0,44 CPE 40 1 : 2,84 : 4,16 Cimento Portland (30%) + escória (70%) 0,44

8 Todos os concretos preparados apresentaram consistência medida com abatimento do tronco de cone (NBR 7223) de (60±10) mm e teor de ar incorporado de 1,5%. Visando a obtenção de superfícies que simulam o acabamento obtido em obra, os diversos traços de concreto foram preparados em forma de painéis. A moldagem foi feita através do lançamento do concreto em formas posicionadas verticalmente e o adensamento foi efetuado em mesa vibratória. Os painéis foram moldados com dimensões de 70 cm x 70 cm x 10 cm de forma a possibilitar a extração de vários corpos-de-prova para ensaios, sem possuir tamanho excessivo que prejudicasse o manuseio e transporte das placas. Após a moldagem, os painéis foram mantidos em câmara úmida por um período de 7 dias, considerado suficiente para a obtenção de resistência necessária para o transporte das placas. A partir deste período de cura, os painéis foram expostos em estação de envelhecimento natural do IPT, localizado na Cidade Universitária, em São Paulo, latitude 23 o 30 S e longitude 46 o 37 W. A exposição foi feita com os painéis posicionados verticalmente e orientados para a direção norte Para a realização de todos os ensaios, os corpos-de-prova foram extraídos da parte superior, média e inferior das placas, de modo a eliminar eventuais diferenças existentes em função de adensamentos heterogêneos do concreto ao longo da altura da placa. A extração foi realizada com serra ou broca diamantadas em função das geometrias e dimensões dos corpos-de-prova necessários para os ensaios. 3.3 Métodos de ensaios Os métodos de ensaio que serviram de base para o desenvolvimento da pesquisa estão descritos a seguir: Determinação de dimensões de poros de concretos por intrusão de mercúrio A determinação das dimensões de poros dos concretos foi efetuada pelo método de intrusão de mercúrio. Após o ensaio com o porosímetro de mercúrio, foi determinada a quantidade de agregados presente nos corpos-de-prova ensaiados. Os resultados de porosidade foram expressos em volume de mercúrio intrudido em relação ao teor de pasta presente nos corpos-de-prova Preparação e condicionamento dos corpos-de-prova para ensaio Foram extraídos da região central das placas de concreto, cilindros com diâmetro de 10 cm. Foram retirados destes cilindros, duas fatias de 1 cm de espessura, cortadas paralelamente à cada uma das bases do cilindro. Os cortes foram feitos na região próxima às bases de modo a garantir que as fatias contivessem a superfície de acabamento dos painéis, ou seja, a superfície em contacto com as placas do molde. Da região central destas fatias, foram retirados novamente, corpos-de-prova com 2 cm de diâmetro e espessura de 1 cm. Em cada ensaio, foram utilizados 2 destes corpos-deprova. Para a utilização desta técnica, é necessário que os corpos-de-prova estejam previamente secos. No entanto, dependendo do procedimento utilizado na remoção da água dos poros podem ocorrer alterações na microestrutura do material. Assim foi utilizado o seguinte método para secagem dos corpos-de-prova (FELDMAN & BEAUDOIN, 1991): a) retirada da água dos poros e substituição por solvente através da imersão total em isopropanol anidro técnico por um período mínimo de 10 dias;

9 b) imediatamente após retirada da imersão em álcool, secagem a vácuo em estufa a 100 o C por 20 horas Determinação do teor de pasta nos corpos-de-prova No ensaio de porosimetria de mercúrio, o resultado é expresso em volume de mercúrio intrudido em relação à massa total do corpo-de-prova. Em função disto, considerando-se que a porosidade dos agregados é praticamente nula, corpos-de-prova de massas iguais, extraídos de um mesmo concreto, podem apresentar porosidades diferentes devido à maior ou menor quantidade de pasta contida nos mesmos. Na determinação da porosidade de concretos é necessário determinar então a fração de pasta presente nos corpos-de-prova ensaiados. Para efetuar esta determinação, após a realização dos ensaios, as amostras foram pesadas para calcular a massa de mercúrio penetrada no corpo-de-prova. As amostras ainda impregnadas com mercúrio foram então levemente trituradas, tomando-se os devidos cuidados para não haver perda de massa durante este processo. As porções assim obtidas foram imersas em solução de HCl, na concentração de 0,33% em massa, e posteriormente aquecidas a fim de se dissolver o cimento do concreto. A solução foi filtrada, de forma a separar os agregados e o mercúrio do cimento. Com este procedimento foi possível determinar a proporção da pasta no concreto e calcular a porosidade em relação à massa da pasta e não do corpo-de-prova, eliminando as possíveis diferenças nos materiais em função da maior ou menor quantidade de agregado presente na amostra ensaiada Determinação de porosidade total por imersão em água Tendo em vista as pequenas dimensões dos corpos-de-prova para ensaios através de porosimetria por injeção de mercúrio e considerando-se que as propriedades de transporte de massa de concretos não dependem somente da porosidade da capa do concreto, foi medida a porosidade das amostras do estudo conforme a norma NBR 9779/93 - Determinação de absorção de água por imersão, do índice de vazios e massa específica. As medições foram efetuadas com corpos-de-prova cilíndricos, de 10 cm de diâmetro e 5 cm de altura Observação de porosidade por análise de imagens de microscopia eletrônica As micrografias foram determinadas conforme procedimento descrito na seção 2.3.2, no Laboratório do Depto. de Engenharia de Minas da Escola Politécnica da USP, com o microscópio eletrônico marca Leica, modelo STEREOSCAN 440, utilizado no modo de elétrons retroespalhados. Nas imagens de elétrons retroespalhados as fases de maior número atômico presentes na pasta aparecem mais brilhantes enquanto os poros ficam escuros. Quando o interesse está voltado para a observação da porosidade por esta técnica, é importante uma preparação cuidadosa da amostra pois eventuais diferenças de nível existentes na superfície podem comprometer a análise uma vez que as partes mais elevadas apresentam-se brilhantes na imagem obtida, independentemente da presença de poro nesta região Determinação de penetração de íons cloreto Para a avaliação da resistência à penetração de íons cloreto tem sido muito difundido o método proposto pela Norma ASTM (ASTM C 1202/ 94). O ensaio é realizado com corpos-de-prova cilíndricos, com de 10 cm de diâmetro e 5 cm de altura. O método

10 consiste em medir, ao longo do tempo, a corrente que passa através do corpo-de-prova, inicialmente saturado com água, quando uma das faces planas é imersa em uma solução de cloreto de sódio e a outra em solução de hidróxido de sódio e se aplica uma tensão de 60 V entre as superfícies. A partir da integração da curva de corrente em função do tempo é calculada a carga elétrica total que passa pelo corpo-de-prova num período de 6 horas. O método caracteriza um processo de difusão de cloretos forçada pela aplicação de diferença de potencial, ou seja, o mecanismo de migração de cloretos (HELENE, 1993). A Norma permite ainda classificar o concreto quanto à sua susceptibilidade à corrosão em função da carga elétrica calculada Determinação de profundidade de carbonatação A determinação de profundidade de carbonatação foi efetuada após submeter amostras em câmara de carbonatação de circuito aberto e alimentação contínua (JOHN, 1995). A concentração de CO 2 na câmara foi mantida em 5% e a uma temperatura de (21,5 ± 1,5) o C. Embora muitos ensaios acelerados sejam realizados com níveis mais elevados de concentração, a concentração de CO 2 no ensaio foi mantida em 5%, para que um maior número de medições pudesse ser realizado, antes da ocorrência da carbonatação total. Os corpos-de-prova consistiam de prismas com dimensões de 5 cm x 10 cm x 35 cm, cortados das placas de dimensões maiores. A profundidade de carbonatação foi medida aplicando-se fenolftaleína diluída em álcool etílico (5 %) em seções transversais do corpo-de-prova imediatamente após fratura Determinação sortividade No presente trabalho, os ensaios foram realizados com corpos-de-prova cilíndricos, com 10 cm de diâmetro e 5 cm de altura, impermeabilizados na superfície lateral, mantendose as bases sem vedação. Os corpos-de-prova foram então colocados sobre hastes de alumínio, imersas em água, de forma a manter uma das bases em contacto com o líquido para permitir a sua penetração por capilaridade. As pesagens foram feitas na primeira hora de ensaio, a intervalos regulares de 10 minutos, e depois a cada hora até completar 3 horas de medição Determinação de teor de umidade de equilíbrio O ensaio consistiu na determinação do teor de umidade de equilíbrio de concretos expostos em câmara climática, mantida à temperatura de (23 ± 2) o C e umidade relativa de (55 ± 5)%. Corpos-de-prova de 10 cm de diâmetro e 5 cm de altura foram mantidos neste ambiente e pesados a cada 24 horas. Considerou-se atingido o equilíbrio de massa dos corpos quando a diferença entre duas pesagens consecutivas foi inferior a 0,05% do valor da última massa medida. O teor de umidade foi calculado pela diferença entre a massa nas condições de equilíbrio com o ambiente e a massa do corpo-de-prova seco. A secagem foi feita em estufa mantida à temperatura de 105 o C, até atingir a mesma condição de estabilidade de massa definida anteriormente Determinação de penetração de água sob pressão O ensaio foi realizado de acordo com o procedimento especificado na norma NBR 10787/94 Concreto endurecido Determinação de penetração de água sob pressão. É recomendada a realização de ensaios com corpos-de-prova medindo (250 x 250 x 125) mm, previamente secos ao ar, por um período de 24 horas antes do início do ensaio. O

11 ensaio consiste em fixar o corpo-de-prova entre dois perfis metálicos, mantendo-se a superfície inferior, com dimensões de (250 x 250) mm, em contacto com água sob pressões crescentes e consecutivas, da seguinte forma: c) 48 horas à pressão de (0,1±0,01) MPa; d) 24 horas à pressão de (0,3±0,03) MPa; e) 24 horas à pressão de (0,7±0,07) MPa. Após estes períodos de aplicação de água sob pressão, o corpo-de-prova é partido ao meio, ortogonalmente à face onde foi exercida a pressão, medindo-se a profundidade máxima de penetração de água, em milímetros, e o perfil de distribuição da água penetrada Difusividade de água Para a realização do ensaio, foram preparados corpos-de-prova em forma de cilindros, aplicando-se impermeabilizante à base de silicone nas suas superfícies externas, mantendo-se apenas uma das bases dos corpos sem vedação. Após secagem em estufa ventilada mantida à temperatura de (105±5) o C, os corpos-de-prova foram imersos em água destilada, acoplados a um dispositivo de balança que possibilita a pesagem do corpo-de-prova imerso. A balança utilizada estava acoplada a um microcomputador que fazia leituras da massa do corpo-de-prova imerso, em intervalos sucessivos de 30 minutos. Durante a imersão, os corpos-de-prova foram mantidos com as bases posicionadas verticalmente e com uma coluna de água de 5 cm sobre os mesmos. Nestas condições, a massa de água absorvida pela face não vedada do corpo-de-prova pode ser determinada calculando-se, a cada instante, o volume de poros abertos preenchidos com água pela fórmula: mi (t) mcp+ c Misat + Msat V abs (t) = ρ (3.1) Considerando-se que a densidade aparente da água é igual a 1 g/cm 3, tem-se que a massa de água absorvida até o instante t, é dada por: m abs = m i (t) mcp+ c Misat + Msat (3.2) Onde: m cp+c é a massa do corpo-de-prova seco, com o impermeabilizante (g); m i (t) é a massa do corpo-de-prova imerso, no instante t (g); ρ é a densidade aparente da água (g/cm 3 ); M sat é a massa do corpo-de-prova com impermeabilizante, saturado (g); M isat é a massa do corpo-de-prova com impermeabilizante, saturado e imerso (g); V abs (t) é o volume de água absorvido pelo corpo-de-prova até o instante t (cm 3 ); m abs é a massa de água absorvida até o instante t (g). A partir dos valores de massa de água absorvida, desde o início da imersão até a saturação do material, foram calculadas a cada 30 minutos (intervalo de tempo entre registros sucessivos de massa imersa do corpo-de-prova), as concentrações médias de água no corpo-de-prova, pela equação: C (t) 1 = e e Cdx = 0 massa de água massa absorvida até o instante do material seco t (3.3)

12 Considerando-se o modelo de Fick válido para descrever o transporte de água nas condições de ensaio, esta concentração de água no instante t, está relacionada teoricamente com a espessura do corpo-de-prova, com a concentração de água inicial e na saturação, bem como com a difusividade conforme apresentado anteriormente (seção ) pela equação: C(t) Ci Cs Ci = exp (-(2j 1) D t / (4 e )) 2 + π 2 π j= 0 (2j+ 1) (3.4) Onde: C(t) é a concentração de umidade no instante t (g água /g CP ); Ci é a concentração inicial de umidade (g água /g CP );; Cs é a concentração de umidade do material saturado de água (g água /g CP );; e é a espessura do corpo-de-prova (cm); D é a difusividade de água ( cm 2 /min 0,5 ). Como os corpos-de-prova foram secos antes de serem imersos na água, a concentração inicial foi assumida como sendo igual a zero, assim a equação (3.4) se torna: 2 2 D exp (-(2j + 1) t ) 8 2 (4e ) C(t) = Cs 1 2 π (3.5) 2 π j 0 (2j + 1) = Assumindo-se então que o transporte de água se processou segundo a lei de Fick, existe uma uma relação de dependência funcional teórica de C (t) com t, expressa pela equação (3.5). Esta função de dependência de C (t) com t pode ser determinada neste caso, estimando-se apenas o valor de D, uma vez que os outros parâmetros são conhecidos experimentalmente. Esta estimativa foi feita pelo método dos mínimos quadrados 2, segundo o qual, a função que correlaciona C (t) com t, deve ser aquela que torna mínima a soma dos quadrados das distâncias da função aos valores experimentais medidos (NETO, 1990). 4 RESULTADOS E CONCLUSÕES Neste estudo, a utilização da escória em substituição a uma parcela de cimento Portland visou a obtenção de concretos com poros menores que aqueles obtidos com cimentos Portland comuns, sem objetivar o aprofundamento do estudo do efeito da escória no desenvolvimento do espaço poroso. No entanto, considerando-se que foram utilizados os mesmos traços de concreto com e sem escória, foi possível verificar, para estes traços, o efeito da escória na porosidade e nas demais propriedades analisadas. 2 Utilizou-se o programa de computador denominado Statistica for Windows, versão 5.0, desenvolvido pela empresa americana STATSOFT.

13 No aspecto referente à porosidade, medida por meio da imersão de corpos-de-prova em água, observou-se que os concretos com escória apresentaram volume total de poros maior que os concretos sem escória de mesmo traço, conforme valores médios obtidos em ensaios com três corpos-de-prova, apresentados na Tabela 4.1: Tabela 4. 1 Porosidade total dos concretos Concreto Porosidade total (%) CP20 13,7 CPE 20 15,8 CP 40 12,8 CPE 40 13,7 No entanto, a frequência de ocorrência de poros menores foi maior nos concretos com adição, conforme ilustrado nas Figuras 4.1 e 4.2: Volume de mercúrio (ml/g) CP 20 CPE Diâmetro de poro (micrometros) Figura Volume de mercúrio intrudido em função das dimensões de poros Concreto CP 20, sem escória e CPE 20 com escória Volume de mercúrio (ml/g) CP 40 CPE Diâmetro de poro (micrometros) Figura Volume de mercúrio intrudido em função das dimensões de poros Concreto CP 40, sem escória e CPE 40, com escória

14 Poros com dimensões maiores que 0,1 micrometros, contribuem para o transporte de massa por difusão, migração iônica, capilaridade e permeabilidade, enquanto que os poros menores influem apenas no processo de difusão gasosa e de difusão e migração iônicas (MENG, 1994; HELENE, 1993), conforme apresentado na Figura 4.3. Permeabilidade Difusão gasosa Difusão e migração iônica Capilaridade Dimensão dos poros (m) Figura 4.3 Dimensões de poros/ transporte de massa (MENG, 1994; HELENE, 1993) Tomando-se por base esta classificação, observou-se que a escória diminuiu a quantidade de poros com dimensões maiores e que mais contribuem no transporte de massa, como mostra a Figura 4.4: Figura 4. 4 Efeito da adição de escória na diminuição de dimensões de poros Para efeitos de comparação dos concretos, os dados da Figura 4.4 estão apresentados na Tabela 4.2, em porcentagem. Os valores referem-se aos concretos expostos durante mais que 240 dias na estação de envelhecimento natural.

15 Tabela 4. 2 Fração de poros com diâmetro maior que 0,12 micrometros Porcentagem de poros com Concreto diâmetro maior que 0,12 micrometros (%) 3 CP CPE CP CPE Os dados da Tabela 4.2 permitem comparar os concretos quanto ao conteúdo de poros que contribuem mais efetivamente para o transporte de massa, o concreto sem escória (CP 20) teve 61% de seus poros com diâmetro maior que 0,12 micrometros (poros grandes ) enquanto que o concreto com escória, de mesmo traço (CPE 20) apresentou 39% de poros grandes. A mesma comparação pode ser feita para os concretos com relação a/c de 0,44 (CP 40 e CPE 40). Esta fração de poros grandes, no caso dos concretos analisados, mostrou contribuir diretamente na penetração de íons cloreto, medida de acordo com o método ASTM C 1202, conforme ilustrado na Figura 4.5, tanto na fase exploratória quanto na segunda fase: Foram efetuados os cálculos tomando-se como referência o valor de 0,12 micrometros, medido em todos os concretos Carga (C) y = 47373x R 2 = Volume de poros > 0,12 micrometros (ml/g) Figura 4. 5 Carga medida em ensaios de penetração de íons cloreto em função do volume de poros com diâmetro maior que 0,12 micrometros 3 Foram efetuados os cálculos tomando-se como referência o valor de 0,12 micrometros, medido em todos os concretos.

16 Da Figura 4.5 observa-se que a penetração de íons cloreto ocorreu em proporção direta com o volume de poros maiores que 0,12 micrometros. Naturalmente, quanto maior a quantidade de poros maiores, o transporte de água ou de íons ocorre com maior facilidade e com maior velocidade, influindo também nestes fenômenos a conectividade entre os poros. Embora conceitualmente o mecanismo de transporte de íons envolvido no método de ensaio utilizado seja basicamente de migração iônica, ou seja, de difusão forçada de íons em decorrência da imposição de diferença de concentração e de um campo elétrico (HELENE, 1993), observou-se que ocorreu também transporte de solução de uma célula para outra, principalmente nos ensaios com os concretos de poros maiores. A quantidade de poros com dimensões maiores que 0,12 micrometros possivelmente teve um papel relevante no transporte de íons nos casos em que simultaneamente ocorreu transporte da solução, pois o mecanismo envolvido neste caso, é o da permeabilidade. A complexidade dos fenômenos de transporte envolvidos justifica a realização de estudos adicionais mais aprofundados, bem como o desenvolvimento de um maior número de ensaios para confirmar os resultados obtidos. O efeito da porosidade do concreto nos processos de carbonatação não pode ser analisado sem se considerar o tipo de cimento empregado. O fato de que a carbonatação está fortemente associada também à quantidade de hidróxido de cálcio presente na solução intersticial do concreto, já é bastante difundido no meio técnico. Os resultados do estudo, apresentados na Tabela 4.3, confirmaram que, mesmo com poros bem menores, os concretos com escória, por apresentarem menor reserva alcalina, sofrem maior carbonatação que os concretos sem escória, fato este já observado após a exposição em estação de envelhecimento natural, sem submetê-los à carbonatação acelerada. Tabela 4.3 Profundidade de carbonatação Profundidade de carbonatação (mm) Inicial (> 240 dias em Em câmara de carbonatação acelerada Concreto estação de envelhecimento natural ) 7 dias 21 dias 35 dias CP CPE CP CPE O efeito do tamanho dos poros no teor de umidade de equilíbrio dos concretos foi verificado pelos resultados dos ensaios realizados e apresentados na Tabela 4.4: Tabela 4. 4 Teor de umidade de equilíbrio Concreto Teor de umidade de equilíbrio (%) Corpo de prova 1 Corpo de prova 2 Corpo de prova 3 Média CP 20 1,96 1,96 1,80 1,9 CPE 20 2,94 3,17 2,75 3,0 CP 40 3,21 3,17 3,17 3,2 CPE 40 4,19 4,40 4,10 4,2

17 Os concretos de mesma relação a/c, com maior quantidade de poros menores, apresentaram maior quantidade de umidade ao ser exposto ao vapor de água presente na atmosfera. Vale ressaltar que o teor de umidade do concreto controla o acesso dos agentes agressivos para o interior do concreto, e também do oxigênio, elemento necessário para a ocorrência das reações de corrosão. O teor de umidade influi ainda na resistividade elétrica do concreto que, por sua vez, influi na velocidade de corrosão das armaduras. Entretanto, não existem ainda, resultados correlacionando teores de umidade com velocidades de corrosão. Nos ensaios de penetração de água sob pressão, não foi observada diferença significativa entre os concretos de mesmo traço e com poros de dimensões diferentes. Resultados de estudos indicaram que as adições minerais diminuem tanto a porosidade da zona de transição, quanto a conectividade entre os poros (WINSLOW & COHEN, 1994). No entanto, as pressões aplicadas nos ensaios possivelmente foram suficientes para que a água atingisse os poros menores e também os menos conectados dos concretos com escória. Como o volume total de poros destes concretos era maior do que o dos concretos sem escória, a altura de água penetrada nos dois concretos não apresentou diferenças significativas. No caso da difusividade de água, parâmetro que foi utilizado para caracterizar a penetração de água em concretos também não saturados, sem a aplicação de pressões externas, observou-se que o concreto de maior volume de poros maiores (CP 20) apresentou difusividade bem maior que os outros concretos, havendo também uma indicação de que os concretos com poros menores apresentam menor difusividade à água. Neste caso, sem a aplicação de pressões externas, possivelmente a menor conectividade entre os poros dos concretos com escória contribuiu no sentido de diminuir a taxa de penetração de água, uma vez que, se os poros menores estivessem conectados, haveria uma absorção maior, pois as forças capilares em poros de diâmetro menor são maiores. O modelo utilizado para representar o transporte de água em meios não saturados, baseado na lei de Fick, apresentou uma boa correlação com os resultados experimentais, conforme exemplos de concentrações medidas e calculadas, ilustradas nas Figuras 4.6 a 4.9: Concentração (g/g) Raiz quadrada do tempo (min 0,5 ) Medida Estimada Figura Concentração de água medida e estimada Concreto CP 20

18 Concentração (g/g) Raiz quadrada do tempo (min 0,5 ) Medida Estimada Figura Concentração de água medida e estimada Concreto CP Concentração (g/g) Raiz quadrada do tempo (min 0,5 ) Medida Estimada Figura Concentração de água medida e estimada Concreto CPE Concentração (g/g) Raiz quadrada do tempo (min 0,5 ) Medida Estimada

19 Figura Concentração de água medida e estimada Concreto CPE 40 Na realidade, quando o concreto está em contacto com a água, o mecanismo de penetração por capilaridade deve prevalescer apenas nas camadas superficiais, que apresentam poros abertos e conectados. Mesmo estando estes poros conectados até as camadas mais internas, o transporte não ocorre indefinidamente por capilaridade pois os poros opõem uma resistência ao escoamento de fluídos, determinada fundamentalmente pelas suas dimensões, sendo que poros menores apresentam maiores resistências hidráulicas que os maiores. Além disso, os poros podem assumir diferentes formas, e assim, à medida em que a interface água/ar se movimenta através do poro, pode ter o seu movimento interrompido ao atingir uma situação de menisco estável, resultante de um aumento no diâmetro e consequente redução da força capilar, conforme mostra a Figura 4.10: Direção do fluxo de água Menisco estável Menisco instável Figura Menisco estável e instável num poro A partir da interrupção no escoamento do líquido, o transporte ocorre somente por difusão até que, por adsorção e condensação de vapor difundido, seja formada nova continuidade de líquido. Possivelmente, por esta razão, é que o modelo físico classicamente utilizado para modelar fenômenos de difusão pura, representou bem o fenômeno de penetração de água nos concretos não saturados. Deve ser observado ainda, que a difusividade depende da concentração de umidade existente no material e é um parâmetro difícil de ser determinado. Os valores de difusividade média, determinados neste estudo, foram admitidos constantes e ainda assim, apresentaram resultados satisfatórios. O modelo da sortividade, ao se basear em medidas realizadas durante um intervalo de tempo de contacto com a água pequeno, quando comparado com o tempo necessário para a saturação do concreto, deve representar apenas as características superficiais do concreto. Os resultados de ensaios de penetração de água sob pressão servem para reforçar esta hipótese, uma vez que, mesmo com as pressões impostas nesse ensaio, durante o período de 4 dias, somente nos concretos CP 20 e CPE 20, expostos na estação de envelhecimento natural é que a água penetrou por todo o corpo. Com relação às técnicas utilizadas para a caracterização do espaço poroso constatou-se no trabalho que, embora a porosimetria de mercúrio não tenha sido ainda muito utilizada para o estudo de concretos, este método mostrou ser adequado para caracterizar a distribuição do volume de vazios do concreto em função do diâmetro dos poros desde que, após o ensaio, seja determinada a quantidade de agregados presente na amostra ensaiada. Esta determinação é necessária pois, devido às reduzidas dimensões das amostras utilizadas nos ensaios, pode haver uma variação muito grande de volume

20 de agregado presente em diferentes amostras. Consequentemente, a porosidade expressa em volume de poros medidos em relação à massa total da amostra pode ser maior ou menor em função da quantidade de agregados contida na amostra. Por outro lado, observou-se que a porosidade total de concretos, medida com porosímetro de mercúrio, é subestimada pois os poros com diâmetros inferiores a 0,003 micrometros não são medidos por esta técnica. Por esta razão, principalmente nos casos de concretos que têm uma quantidade significativa de poros com dimensões inferiores à menor dimensão medida com o porosímetro de mercúrio, esta técnica não é adequada para a medição de porosidade total, sendo mais recomendável, a sua determinação através de imersão em água. A técnica de microscopia eletrônica com posterior análise e tratamento de imagens digitalizadas e binarizadas, possibilitou a observação qualitativa dos espaços porosos. No entanto, a determinação quantitativa da porcentagem de poros não foi possível devido às limitações do programa disponível para tratamento de imagens. Para utilizar este programa, o usuário precisa identificar os contornos dos poros, envolvendo portanto, fatores subjetivos que levariam a resultados imprecisos. 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BAUER, E. Avaliação comparativa da influência da adição de escória de alto-forno na corrosão de armaduras através de técnicas eletroquímica. São Paulo, p. Tese (Doutorado) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo. FELDMAN, R.F.; BEAUDOIN, J. J. Pretreatment of hardened hydrated cement pastes for mercury intrusion measurements. Cement and Concrete Research, v. 21, p , HELENE, PAULO R. L. Contribuição ao estudo da corrosão em armaduras de concreto armado. São Paulo, Tese (Livre docência). Escola Politécnica, Universidade de São Paulo. JOHN. V.M. Ativação de escória com cal. São Paulo, Tese (Doutoramento) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo. MARQUES, J.C. Escória de alto forno: estudo visando seu emprego no preparo de argamassas e concretos. São Paulo, Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo. MENG, B. Calculation of moisture transport coefficients on the basis of relevant pore structure parameters. Materials and Structures, v. 27, p , MOUKWA, M.; AITCIN, P. C. The effect of drying on cement pastes pore structure as determined by mercury porosimetry. Cement and Concrete Research, v. 18, p , NETO, P. L. O. Estatística.10 ed. São Paulo, Edgard Blücher, TANGO, C.E.S. Concreto - Mistura sem mistério. Revista Téchne, n. 4, p , Mai./Jun WINSLOW, D. N.; COHEN, M. D. Percolation and pore structure in mortars and concrete. Cement and Concrete Research, v. 24, p , 1994.

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