DURABILIDADE E RESISTÊNCIA MECÂNICA DE CONCRETOS E ARGAMASSAS COM ADIÇÃO DE SÍLICA ATIVA 1

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1 DURABILIDADE E RESISTÊNCIA MECÂNICA DE CONCRETOS E ARGAMASSAS COM ADIÇÃO DE SÍLICA ATIVA 1 VIEIRA, Fernanda P. (1); KULAKOWSKI, Marlova P.(2) DAL MOLIN, Denise (3); VILELA, Antônio C. F. (4) (1) Eng. Civil, Doutoranda em Engenharia, pesquisadora do NORIE/CPGEC/UFRGS FVIEIRA@vortex.ufrgs.br (2) Eng. Civil, Doutoranda em Engenharia, pesquisadora do NORIE/CPGEC/UFRGS MARLOVA@vortex.ufrgs.br (3) Eng. Civil, Dr. em Engenharia, Professora Adjunta do NORIE/CPGEC/UFRGS DMOLIN@vortex.ufrgs.br (4) Eng. Metalúrgico, Dr. Ing., Professor Adjunto do LASID/PPGEM/UFRGS VILELA@dali.ppgemm.ufrgs.br Cx. Postal 33 - CEP Porto Alegre - RS RESUMO A sílica ativa é um subproduto gerado a partir da produção de ferro-ligas e silício metálico, através da redução do quartzo pelo carbono. O alto teor de sílica amorfa das partículas e o tamanho extremamente reduzido torna este material bastante apropriado como adição em concretos e argamassas. O efeito pozolânico da sílica ativa, associado ao efeito microfíler, propicia uma melhora na microestrutura dos materias a base de cimento, diminuindo a porosidade e a permeabilidade, densificando a pasta de cimento e melhorando as características da zona de transição pasta-agregado, o que aumenta o desempenho dos concretos e argamassas, tanto sob o ponto de vista de durabilidade, como das propriedades mecânicas. Este trabalho tem por objetivo apresentar resultados de estudos sobre a durabilidade e reistência mecânica de concretos e argamassas com adição de sílica ativa, que vêm sendo realizados no NORIE/CPGEC/UFRGS. 1. INTRODUÇÃO A conjugação do aço com o concreto de cimento Portland possibilita a construção de estruturas com formas variadas e nos mais diversos locais, sujeitas às condições ambientais distintas. Em função das solicitações mecânicas e do ambiente ao qual estão expostas, as estruturas de concreto devem ser projetadas e executadas para manter condições mínimas de segurança, estabilidade e funcionalidade durante um tempo de vida útil, sem custos não previstos de manutenção e de reparos. No entanto, apesar de o concreto ser o material de construção mais utilizado no mundo e apresentar muitas vantagens como material estrutural, inúmeros problemas têm sido detectados com relação à sua durabilidade. Nos últimos anos, diversos estudos vêm sendo realizados sobre patologias de concretos e deterioração prematura das edificações, citando-se como exemplos mais recentes os levantamentos realizados no Brasil por ANDRADE (1997), NICE (1996) e ARANHA (1994). 1 Sílica Ativa é a terminologia brasileira adotada para a Microssílica ou Silica Fume, que está em processo de aprovação na ABNT.

2 A utilização de pozolanas como sílica ativa nos concretos de cimento Portland têm apresentado inúmeros benefícios às propriedades do concreto, tanto em relação à sua reologia no estado fresco e, principalmente, ao comportamento mecânico e de durabilidade no estado endurecido. A incorporação de sílica ativa promove uma diminuição da porosidade e torna a microestrutura do concreto mais densa e compacta, resultando em um material com desempenho superior ao concreto convencional. A sílica ativa é uma pozolana proveniente da produção de ligas de ferro-silício e de silício metálico em fornos elétricos de redução, onde ocorre a formação de pequenas partículas de sílica amorfa, contendo, na maioria das vezes, um teor de SiO 2 maior do que 8%. No Brasil, no ano de 1995, a captação potencial estimada de sílica ativa foi aproximadamente 14. toneladas (KULAKOWSKI et al,1996). A realização de estudos para desenvolver e aprimorar os materiais empregados em estruturas de concreto armado é de grande importância, melhorando a qualidade dos materiais constituintes, tanto sob o ponto de vista da durabilidade, prolongando a vida útil das estruturas, como sob o ponto de vista do comportamento mecânico. Neste sentido, a Universidade Federal do Rio Grande do Sul, através do Curso de Pós-Graduação em Engenharia Civil, vem, ao longo dos últimos anos, estudando o comportamento de concretos e argamassas com adição de sílica ativa com o objetivo de melhorar a qualidade dos materiais empregados nas estruturas de concreto. O presente trabalho apresenta os resultados obtidos de estudos relativos à durabilidadee comportamento mecânico de concretos e argamassas com adição de sílica ativa. 2. CONCRETOS COM ADIÇÃO DE SÍLICA ATIVA A sílica ativa ao ser adicionada ao concreto atua de duas formas, em função das suas propriedades químicas e físicas. Devido ao alto teor de sílica com estrutura amorfa e à elevada superfície específica das partículas (~ 2. m 2 /kg), a sílica ativa possui efeito químico como material pozolânico de alta reatividade, reagindo rapidamente com o hidróxido de cálcio formado na hidratação do cimento. O composto resistente de silicato de cálcio hidratado, gerado na reação pozolânica, é semelhante ao formado pela reação do cimento, que é o maior responsável pela resistência da pasta. O efeito físico (efeito microfíler) acontece pelo reduzido tamanho das partículas (~,1 µm), que se introduzem entre os grãos de cimento e se alojam nos interstícios da pasta, reduzindo o espaço disponível para a água e atuando como pontos de nucleação dos produtos de hidratação, o que proporciona um refinamento da estrutura de poros. A utilização da sílica ativa no concreto modifica suas propriedades tanto no estado fresco (trabalhabilidade, coesão, estabilidade, segregação, exsudação, etc.) como no estado endurecido (resistência mecânica e durabilidade). O seu efeito microfíler e pozolânico resulta em mudanças consideráveis na microestrutura e nas propriedades macroscópicas do concreto. É consenso, no meio científico, que a adição de sílica ativa ao concreto causa uma melhora notável na resistência à compressão do mesmo. Segundo MONTEIRO e MEHTA (1986), o processo de refinamento dos poros e dos cristais presentes na pasta de cimento tem um papel fundamental no aumento das resistências mecânicas, na medida que aumenta a resistência da matriz na zona de transição. Os resultados do estudo de CARLES-GIBERGUES et al.(1989) indicam que o fator mais importante na determinação da resistência à compressão não é o efeito pozolânico da sílica ativa, mas sim o efeito físico associado às adições ultra-finas.de acordo com MEHTA

3 (1989), a sílica ativa é capaz de contribuir para a resistência de um determinado concreto mesmo no período inicial da hidratação (1 a 3 dias), sendo que a contribuição mais significativa ocorre até os 28 dias de idade. Após este período, a contribuição da sílica ativa para a resistência final é relativamente pequena. Os problemas mais comuns de durabilidade de concretos estão diretamente ligados à porosidade e aos mecanismos de penetração de agentes agressivos. Em geral, quanto maiores forem os fatores que facilitem o ingresso de agentes agressivos na massa de concreto, maior será a deterioração do material. Assim, a porosidade (tamanho e distribuição dos poros) é um fator que muito influi na capacidade do concreto em suportar o efeito destrutivo de agentes agressivos (água, oxigênio, dióxido de carbono, cloretos e soluções agressivas) na massa de concreto. Concretos com adição de sílica ativa apresentam maior resistência e melhor desempenho frente aos ataques agressivos em função de uma menor permeabilidade. De acordo com WOLF (1991), o refinamento da estrutura porosa do concreto com sílica ativa e a conseqüente redução da taxa de transferência de íons agressivos ao concreto, a redução do teor de hidróxido de cálcio e a menor relação CaO/SiO 2 dos produtos da reação pozolânica (o que elevaria a incorporação de íons agressivos ao concreto) são fatores determinantes do melhor desempenho quanto à durabilidade dos concretos com sílica ativa. MALHOTRA (1993) relata que a adição de sílica ativa no concreto proporciona um refinamento da estrutura porosa, com diminuição e descontinuidade dos poros. O uso da sílica ativa como adição sobre a massa e cimento ao concreto pode diminuir a relação vazios/volume, o que diminui a porosidade e, conseqüentemente, a penetração e deslocamento de agentes agressivos no concreto. 3. BENEFÍCIOS DA SÍLICA ATIVA NO COMPORTAMENTO MECÂNICO E NA DURABILIDADE Conforme estudos realizados por DAL MOLIN (1995), a adição de sílica ativa mostrou-se efetiva para fins de elevação da resistência do concreto. O aumento da resistência em concretos com 1 porcento de adição, comparativamente aos concretos de referência (sem adição), pode atingir até 16 porcento (figura 1). Os valores da resistência à compressão não são praticamente alterados com a adição de sílica ativa até 1 dia de idade; a partir deste ponto, o crescimento da resistência nos concretos com sílica ativa é maior, principalmente no período entre 1 e 28 dias. DAL MOLIN (1995) também constatou que a adição de sílica ativa propiciou um aumento médio de 3,6 porcento no módulo de deformação dos concretos, apresentando a mesma eficiência, qualquer que seja o nível da relação água/(cimento + sílica ativa) considerada (figura 2). Com relação à aderência aço/concreto, VIEIRA (1994) concluiu que a adição de 1% de sílica ativa, em concretos com fator água/(cimento + sílica ativa) variando de,25 a,5, ocasiona um aumento médio de 15 a 2% na resistência de aderência em relação a concretos sem adições (figura 3).

4 fc (MPa) ,8% 17,5% 111,1%114,1% % ms 1% ms,25,28,32,37,43,5,58 Relação água/cimento 19,5% 115,9%114,3% Ec (GPa) % 13,6% 1 teor de adição de ms (%) Figura 1 - Resistência à compressão em função da interação entre o teor de adição de sílica ativa e o fator a/(c + ms) (DAL MOLIN, 1995). Figura 2 - Aumento médio do módulo de deformação de concretos com adições de sílica ativa (DAL MOLIN, 1995). Tensão média de aderência (MPa) 2 17, ,5 1 7,5 5,25,28,32,37,43,5,58 Relação água/cimento % ms 1% ms Figura 3 - Efeito do fator água/(cimento + sílica ativa) e do teor de sílica ativa sobre as tensões médias de aderência em barras nervuradas (VIEIRA, 1994). DAL MOLIN e SCHULER (1993) estudaram a aderência de argamassas com adição de sílica ativa, para reparos estruturais, concluindo que a adição confere uma boa aderência ao substrato, mesmo em baixas idades. A resistência à compressão de argamassas com sílica ativa foi estudada por KULAKOWSKI (1994), que obteve um aumento na resistência, com a incorporação do resíduo, de até 17 por cento, conforme a relação água/aglomerante (figura 4). Resistência à compressào (MPa) ,35,45,55 Relaçãoágua/cimento % ms 5% ms 1% ms Figura 4 - Resistência média à compreesão aos 28 dias (KULAKOWSKI, 1994).

5 WOLF (1991), em sua dissertação de mestrado, com o objetivo de avaliar o desempenho de concretos com adição de sílica ativa, realizou ensaios de permeabilidade, absorção total e carbonatação. A figura 5 apresenta os resultados obtidos para permeabilidade à água, conforme o método normalizado pela RILEM CPC Profundidade de penetração(mm) ,28,37,58 Relação água/aglomerante sem ms 5% ms 1% ms 2% ms Figura 5 - Profundidade de penetração de água sob pressão (WOLF, 1991). Os dados apresentados na figura 5 indicam que tanto a diminuição da relação água/aglomerante como a adição de sílica ativa atuam na redução da profundidade de penetração de água. Para os teores de adição estudados, pode-se perceber que quanto maior é a relação água/aglomerante, maior é a eficiência da sílica ativa na diminuição da permeabilidade. A durabilidade de argamassas com adição de sílica ativa, para reparos estruturais, foi avaliada por KULAKOWSKI (1994), que empregou o método de penetração acelerada de íons cloretos segundo a ASTM C Os resultados obtidos para a resistência à penetração de íons cloretos estão apresentados na figura 6. Carga total (C) Teor de microssílica (%) Relação água/aglomerante,35,45,55 Figura 6 - Carga passante do ensaio de penetração de cloretos em argamassas (KULAKOWSKI, 1994).

6 A carga total passante através dos corpos de prova indica a maior ou menor resistência dos materiais frente à penetração de íons cloretos. Os resultados presentes na figura 6 mostram que tanto a redução da relação água/aglomerante quanto o aumento no teor de adição de sílica ativa são significantes na redução da carga total passante, obtendo aumentos de até 6 vezes na resistência à penetração de íons cloretos com adições de 15% de sílica ativa. O mesmo ensaio de penetração acelerada foi conduzido por FORNASIER (1995) para avaliar a durabilidade de concretos com sílica ativa (figura 7). Além deste, o autor também utilizou ensaio de penetração de água sob pressão e de absorção por imersão, com secagem a 5 e 15ºC, cujos resultados estão apresentados nas figuras 8 e 9, respectivamente. Carga (Coulombs) Relação água/aglomerante,28,37, Teor de sílica ativa (%) Figura 7 - Carga passante do ensaio de penetração de cloretos em concretos (FORNASIER, 1995). De acordo com a figura 7, verifica-se que a resistência à penetração acelerada de íons cloretos em concretos aumenta em média 6 vezes quando o teor de adição varia de a 2%, coincidindo com os resultados obtidos por KULAKOWSKI (1994) para argamassas. Secagem a 5 o C Absorção (%) ,28,37,58 Relação água/aglomerante sa (%) Figura 8 - Absorção de água em concretos com sílica ativa - secagem à 5ºC (FORNASIER, 1995).

7 Secagem a 15 o C 8 sa (%) Absorção (%) 6 4 2,28,37, Relação água/aglomerante Figura 9 - Absorção de água em concretos com sílica ativa - secagem a 15ºC (FORNASIER, 1995). De forma geral, pela simples observação dos resultados obtidos para o ensaios de absorção, a 5 e 15ºC, pode-se constatar que a absorção de água diminui com a diminuição da relação água/aglomerante e com o aumento do teor de adição de sílica ativa. Ao realizar a análise estatística destes resultados, empregando análise de variância, FORNASIER (1995) verificou que a modificação do valor da relação água/aglomerante e do teor de adição de sílica ativa são significativas nos resultados de absorção a 5 e 15ºC. Como pode ser observado nas figuras 8 e 9, a relação água/aglomerante é o fator que tem maior influência na redução da absorção. O efeito do teor de adição de sílica ativa também é significativo, porém menos intenso do que o efeito da relação água/aglomerante. A adição de sílica ativa pode diminuir a absorção principalmente pela interrupção da conexão entre os poros capilares. A resistividade de concretos com adição de sílica ativa foi estudada por ABREU (1997) através do método de Wenner. A figura 1 apresenta os resultados de resistividade obtidos aos 28 dias de idade. 5 Resistividade (ohm.cm) ,5,65,8 sa (%) 6 12 Relação água/aglomerante Figura 1 - Resistividade de concretos com adição de sílica ativa (ABREU, 1997).

8 Com base na análise de variância dos resultados obtidos por ABREU (1997) fica evidenciada a significância do teor de adição de sílica ativa no aumento da resistividade. À medida que a sílica ativa reage com o hidróxido de cálcio e preenche os poros através do efeito de fíler, ocorre a densificação da matriz de cimento hidratado e conseqüente diminuição de eletrólito disponível, o que leva ao aumento da resistividade do concreto. A resistência do concreto à ação de agentes químicos foi estudada por DAL MOLIN et al. (1996), empregando-se método acelerado, através de ciclos de imersão em solução agressiva e secagem em ambiente de laboratório. A figura 11 apresenta os resultados obtidos para concretos com relações água/aglomerante,37 e,59 com e 6% de adição de sílica ativa, submetidos a soluções de E.D.T.A., ácido lático, ácido fórmico e ácido acético. 35 perda de massa (%) a/agl - %sa,59 - %,59-6%,37 - %,37-6% E.D.T.A. ác. lático ác. fórmico ác. acético solução química Figura 11 - Resultados dos ciclos de agressão química, em perda de massa (%) (DAL MOLIN et al., 1996). A análise dos resultados da figura 11 indica que tanto a diminuição da relação água/aglomerante quanto a adição de sílica ativa melhoram consideravelmente a resistência do concreto frente à ação de agentes agressivos. A adição de 6% de sílica ativa diminui, em média, 2% a perda de massa para os corpos de prova com relação a/agl,37 e 5% para os corpos de prova com relação a/agl,59. Em uma segunda etapa, onde o programa experimental desenvolvido foi mais abrangente, foram realizados ensaios com soluções agressivas de ácido acético, ácido cítrico, ácido fórmico, ácido lático, ácido sulfúrico, refrigerante base cola e água pura para verificar a influência da adição de sílica ativa em concretos com diferentes relações água/aglomerante e dois tipos de cimento (DAL MOLIN et al, 1997). A ação agressiva da solução de ácido fórmico em concretos com adição de sílica ativa é apresentada por KULAKOWSKI et al. (1997) na figura 12.

9 Teor de sílica ativa (%) Perda de massa (g) tipo cimento - a/agl CP V-ARI,37 CP V-ARI,59 CP V-ARI,81 CP II-F,37 CP II-F,59 CP II-F,81-25 Figura 12 - Perda de massa total em função do teor de sílica ativa após 5 ciclos de agressão pelo ácido fórmico (KULAKOWSKI et al., 1997). Os dados obtidos para o ensaio de ataque químico da solução de ácido fórmico foram analisados estatisticamente através de uma regressão linear múltipla, que forneceu um modelo de comportamento para os concretos com adição de sílica ativa. A análise indicou que a relação água/aglomerante, o teor de adição de sílica ativa e o tipo de cimento são efeitos significativos na resistência química do concreto. Observa-se que o cimento tipo CP II-F apresenta um desempenho superior ao CP V-ARI. Quanto às adições de sílica ativa, é possível verificar que quanto maior o teor de adição, menor a perda de massa devida à ação do ácido fórmico. Considerando que o mecanismo de deterioração do concreto pelo ácido fórmico ocorre através da formação de sais solúveis de cálcio, que posteriormente são removidos por lixiviação, a redução da porosidade capilar e a redução do hidróxido de cálcio resultantes da ação da sílica ativa contribuem para aumentar a resistência final do concreto à ação da solução agressiva de ácido fórmico, como pode ser observado na figura CONSIDERAÇÕES FINAIS Uma vez que o desempenho dos concretos está diretamente vinculado à microestrutura e às propriedades que governam os mecanismos de transporte, a adição de sílica ativa que densifica a matriz, altera o tamanho e distribuição dos poros, modificando a microestrutura, resulta em benefícios significativos no comportamento de durabilidade e no comportamento mecânico. Os estudos realizados no NORIE/CPGEC/UFRGS indicam que a adição de sílica ativa em concretos e argamassas proporciona melhorias significativas nas propriedades diretamente relacionadas à durabilidade e ao comportamento mecânico. A fim de elucidar lacunas existentes nas propriedades de concretos com adição de sílica ativa, outros estudos estão em desenvolvimento no NORIE/CPGEC/UFRGS, como corrosão da armadura no concreto, carbonatação, porosidade e penetração de agentes agressivos, incluindo-se análises da microestrutura e análises químicas.

10 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABREU, A.G. Efeito das adições na resistividade elétrica de concretos convencionais: Estudo desenvolvido com vistas à durabilidade das estruturas. Porto Alegre, Dissertação (Mestrado) - Escola de Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. [A ser defendida] AMERICAN CONCRETE INSTITUTE. Guide to Durable Concrete: reported by ACI committee 21. ACI Materials Journal, v.88, n.5, p , AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Standard test method for eletrical indication of concrete s ability to resist chloride ion penetration; C Annual Book of ASTM Standard, v.4.2, p , 199. ANDRADE, J.J.O. Durabilidade das estruturas de concreto armado: análise das manifestções patológicas nas estruturas no estado de Pernanbuco. Porto Alegre, Dissertação (Mestrado) - Escola de Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. ARANHA, P. M. Contribuição ao estudo das manifestações patológicas em estruturas de concreto armado na região Amazônica. Porto Alegre, p. Dissertação (Mestrado) - Escola de Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. CARLES-GIBERGUES, A; OLLIVIER, J.B.; HANNA, B. Ultrafine admixtures in high strength pastes and mortars. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON FLY ASH, SILICA FUME, SLAG, AND NATURAL POZZOLANS IN CONCRETE, 3., Trondheim, Norway, Proceedings... Detroit: American Concrete Institute, 1989, v.2, p (ACI Special Publication, 114). DAL MOLIN, D. C. C. Contribuição ao estudo das propriedades mecânicas dos concretos de alta resistência com e sem adições de sílica ativa. São Paulo, Tese (Doutorado em engenharia) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo. DAL MOLIN et al. Estudo de concretos com adição de sílica ativa (sílica ativa) frente ao ataque de agentes agressivos para emprego em pisos especiais. In: International congress on high-performance concrete, and performance and quality of concrete structures, 1996, Florianópolis, Brasil: UFSC/UFRGS/USP, Proceedings..., p DAL MOLIN, D.C.C.; KULAKOWSKI, M.P.; VIEIRA, F. Aprimoramento do emprego da sílica ativa SILMIX em cimento e concreto, e verificação de desempenho dos cimentos Eldorado. Porto Alegre, [Relatório técnico de pesquisa do Projeto de Convênio UFRGS/FLE e CAMARGO CORRÊA INDUSTRIAL] (A ser publicado). DAL MOLIN, D.C.C.; SCHULER, A. Estudo a respeito da aderência de argamassas com adição de sílica ativa sobre o concreto endurecido, suas propriedades mecânicas e possibilidade de uso em reforços estruturais. Porto Alegre, [Relatório técnico de pesquisa do Projeto Interação Universidade - Empresa], FAPERGS - UFRGS - ELVECO ENGENHARIA. FORNASIER, R.S. Porosidade e permeabilidade do concreto de alto desempenho com sílica ativa. Porto Alegre, Dissertação (Mestrado). Escola de Engenharia, Curso de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. KULAKOWSKI, M.P. Argamassa com adição de sílica ativa para reparos estruturais: estudo da penetração de cloretos. Porto Alegre, p. Dissertação (Mestrado) - Escola de Engenharia, Curso de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

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