ESTUDO DO CAULIM CALCINADO COMO MATERIAL DE SUBSTITUIÇÃO PARCIAL DO CIMENTO PORTLAND

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1 Conferência Brasileira de Materiais e Tecnologias Não- Convencionais: Habitações e Infra-Estrutura de Interesse Social Brasil-NOCMAT 200 Pirassununga, SP, Brasil, 29 de outubro 3 de novembro, 200 ESTUDO DO CAULIM CALCINADO COMO MATERIAL DE SUBSTITUIÇÃO PARCIAL DO CIMENTO Marilia Pereira de Oliveira 1,MSc., Aline Figueiredo da Nóbrega 2, Melissa Selaysim Di Campos, MSc 3, Normando Perazzo Barbosa, Prof. Dr. 1 Pós-Graduanda, Universidade Federal de Campina Grande mariliapolive@yahoo.com.br 2 Aluna de Iniciação Científica do Curso de Engenharia Civil, Universidade Federal da Paraíba 3 Pós-Graduanda, Fac. de Zootecnia e Engenharia de Alimentos da Universidade de São Paulo. Professor Titular do Centro de Tecnologia, Universidade Federal da Paraíba ABSTRACT The use of burned clays, in the metakaolin form, as pozzolanic material for mortars and concretes is having a remarkable attention in the last years. This work has as objective to study the potentialities of a local caulim as partial cement replacement material. Two finess of the caulim were used: #200 and #325, burned at temperatures of 700, 800 and 900 o C for a period of 2 hours. The amounts of replacement were 10, 20, and %, besides the reference mortar, being the relationship wate/binder ratio constant and equal to 0,. The pozolanic activity index was determined in mortars with the cement Portland. The effect of partial substitution of cement in mortar was evaluated through compression strength and speed of propagation of ultra-sonic wave. Mortars with kaolin presented superior strength comparing to reference mortar, until the level of % of substitution, when burned in the temperatures of 700 and 800oC for both finess. The ultra-sonic speed propagation wave reduces in agreement with the increasing of substitution tax showing that the parcial cement replacement modifies the pore structure of the mortars. KEY WORDS: cement replacement material, kaolin, mortar, Portland cement, pozzolana. RESUMO A utilização de argilas calcinadas, na forma de metacaulinita, como material pozolânico para argamassas e concretos tem tido uma atenção considerável nos últimos anos. Este trabalho tem como objetivo estudar as potencialidades do caulim calcinado como material de substituição parcial do cimento Portland. Foram utilizadas duas finuras do caulim: passando nas peneiras #200 e #325, calcinados nas temperaturas de 700, 800 e 900 o C por um período de 2 horas. O percentual de substituição adotado foi de 10, 20, e %, além da argamassa de referência, sendo a relação água/aglomerante fixa igual 0,. O índice de atividade pozolânica foi determinado em argamassas com o cimento Portland. O efeito da substituição parcial do cimento na argamassa foi avaliado através da resistência à compressão e velocidade de propagação de onda ultra-sônica. As argamassas apresentaram resistências superiores em relação à de referência até os níveis de % de substituição, calcinados nas temperaturas de

2 700 e 800 o C para ambas finuras. A velocidade de propagação de onda ultra-sônica diminuiu de com o aumento do percentual de substituição, mostrando que o caulim calcinado modifica a estrutura dos poros das argamassas. PALAVRAS-CHAVE: argamassa, caulim, cimento Portland, material de substituição de cimento, pozolana INTRODUÇÃO A principal propriedade de uma pozolana é a sua capacidade de reagir e se combinar com o hidróxido de cálcio, formando compostos estáveis de poder aglomerante tais como silicatos e aluminatos de cálcio hidratados. Assim, no cimento Portland o hidróxido de cálcio liberado pela hidratação dos silicatos reage com a pozolana, utilizada como substituição parcial do cimento, resultando em uma produção extra de silicatos de cálcio hidratados que são produtos mais estáveis do cimento hidratado. Algumas das vantagens técnicas resultantes do emprego de pozolanas em concretos são as seguintes: a reação álcalis agregado pode ser reduzida ou inibida; a resistência mecânica pode ser aumentada; a resistência a cloretos, sulfato e água do mar pode ser melhorada; a permeabilidade pode ser reduzida; a liberação de calor é diminuída. Além dessas vantagens técnicas tem-se o benefício econômico obtido por um menor consumo de cimento Portland, mantendo a mesma ou melhorando a resistência mecânica e a durabilidade. Pela mesma razão uma economia de energia pode ser atingida: os materiais pozolânicos são energeticamente mais econômicos que o clínquer do cimento Portland. O uso de argilas calcinadas como misturas pozolânicas de cimento é conhecido desde o tempo dos romanos. As argilas mais utilizadas para a produção de pozolana são as caulinitas, montmorilonitas e as ilitas (SOUZA SANTOS, 1992) [1]. O aproveitamento da argila caulinítica calcinada (metacaulinita) como uma adição pozolânica moderna para argamassas e concreto tem-se popularizado nos últimos anos (A. SHVARZMAN et al. 2003) [2]. A argila caulinítica sofre alterações em suas propriedades físicas e químicas quando submetida a tratamentos térmicos. A metaculinita Al 2 Si 2 O 7 é um produto amorfo resultante do processo de desidroxilação da caulinita através da calcinação em temperaturas controladas. Uma maneira de quebrar a estrutura cristalina do da argila tornando-a amorfa e quimicamente reativa é fornecer energia na forma de calor. Este trabalho tem como objetivo avaliar a o desempenho mecânico de argamassas utilizando um caulim local calcinado como material de substituição do cimento Portland. MATERIAL E MÉTODOS O cimento utilizado foi o cimento Portland CP II F 32. O caulim utilizado foi fornecido pela Caulisa SA, localizada no Município de Juazeirnho, PB. Sendo utilizadas duas finuras do caulim, #200 e #325, as amostras foram calcinadas nas temperaturas de 700, 800 e 900 C em um forno elétrico da marca Elektro Therm por um período de 2 horas, a fim de se obter a metacaulinita. Quimicamente foram determinados os teores de SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3, CaO, Na 2 O, K 2 O, MgO e perda ao fogo (ver tabela1). A área especifica foi determinada de acordo 378

3 com a NBR 722 [3]. O agregado miúdo utilizado na produção das argamassas foi uma areia quartzosa proveniente do rio Paraíba e a água potável fornecida pela concessionária de abastecimento. Preparação das Argamassas Para verificar o desempenho mecânico do caulim calcinado como material de substituição do cimento Portland foram preparadas argamassas com taxas de metacaulinita nos níveis de 10, 20, e %. Como referências foram preparadas argamassas com 0% de substituição. A relação aglomerante/areia foi mantida fixa em 1 :1,5 em peso. A relação água/aglomerante foi mantida constante em 0,. Para se obter a consistência aproximadamente igual das argamassas, fez o uso de superplastificante e utilizou-se o ensaio de consistência realizado na mesa de fluidez de acordo com a norma NBR (1995) [], que prescreve o espalhamento de 255 ± 10mm em diâmetro da argamassa sobre a mesa para ser considerada consistência normal. Moldagem dos corpos de prova Os corpos de prova foram moldados utilizando moldes cilíndricos com dimensões 5 cm x 10 cm, conforme a NBR 7215 (1982) [5]. Após a desmoldagem os corpos de prova foram submetidos a cura submersa por períodos de 7, 28 e 90 dias em temperatura ambiente. Resistência à Compressão Simples (RCS) A resistência à compressão das argamassas foi obtida pelo ensaio indicado na NBR 7215 [5]. Ensaio de Propagação de Onda ultra-sônica O ensaio de propagação de onda ultra-sônica nos corpos de prova foi realizado de acordo com a NBR 8802 (1985) [6]. Após a cura aos 28 dias, os corpos de prova foram secos ao ar e submetidos por transmissão direta ao ensaio de ultra-som utilizando um aparelho denominado Ultrasonic Pulse Velocity Tester, modelo E 8 da marca Controls. Ìndice de atividade Pozolânica com o Cimento O ensaio para determinação da atividade pozolânica com o cimento foi realizado conforme a prescrição da NBR 5752 (1992) [7]. RESULTADOS E DISCUSSÕES Análise Química As composições químicas das amostras de caulim são apresentadas na Tabela 1. Os caulins apresentam teores de SiO 2 de 7,1% (caulim #200) e 5,70% (caulim #325) e teores de Al 2 O 3 de 38,00% e 39,% para ambos respectivamente, valores que se aproximam dos especificados por SOUZA SANTOS (1992) [1], que são de 6,5% para o SiO 2 e 39,5% para o Al 2 O 3. A soma dos percentuais de SiO 2, Al 2 O 3 e Fe 2 O 3 é de 85,81% e 85,% para o 379

4 caulim #200 e caulim #325, superando os valores mínimos de 70% e % propostos pela ASTM C-618 (1989) [8] e Indian Standard [9]. TABELA 1 COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS AMOSTRAS DO CAULIM SiO AMOSTRAS 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO K 2 O Na 2 O PR* % % % % % % % % Caulim #200 7,1 38,00 0, Traços Traços 0, 0,08 12,8 0,71 Caulim #325 5,70 39, 0, Traços Traços 0,28 0,07 13,81 0,59 *Perda ao rubro ** Resíduo Insolúvel Área Específica RI** % Na Tabela 2 são apresentados os valores das áreas especificas das amostras do caulim calcinado. As áreas específicas determinadas através do método de permeâmetro de Blaine variaram de cm 2 /g. a 190 cm 2 /g. para o caulim #200 e de 210 cm 2 /g. a 200 cm 2 /g.para o caulim #325, as amostras do caulim foram ativadas termicamente nas temperaturas de700, 800 e 900 C. Constata-se que houve um decréscimo das áreas específicas com o aumento da temperatura de calcinação para o caulim. TABELA 2 ÁREAS ESPECÍFICAS DAS AMOSTRAS DO CAULIM CALCINADO AMOSTRAS ÁREA ESPECÍFICA (cm 2 /g) Calcinadas nas temperaturas 700 C 800 C 900 C Caulim # Caulim # Resistência à Compressão Simples (RCS) Os valores das resistências à compressão simples dos corpos de prova curados aos 7, 28 e 90 dias das amostras de caulim calcinado e argamassas de referência são apresentados nas figuras 1 a 6. Analisando-se as Figuras 1e 2 verifica-se que com % de substituição do cimento Portland por metacaulinita # ºC obtem-se o melhor resultado para todos os períodos de cura, enquanto que, para a metacaulinita # ºC, 20% de substituição é suficiente para obter melhor resultado em relação as demais substituições. Nas Figuras 3 e nota-se que % de substituição do cimento Portland por metacaulinita # C aos 28 e 90 dias de cura enquanto que com a metacaulinita # C obtevese o melhor resultado com % de substituição para todos períodos de cura. 380

5 Nas Figuras 5 e 6 nota-se que % de substituição do cimento Portland por metacaulinita # C aos 28 e 90 dias de cura enquanto que com a metacaulinita # C obtevese o melhor resultado com % de substituição para todos períodos de cura % metacaulinita 10% metacaulinita 20% Metacaulinita % Metacaulinita % Metacaulinita 0% Metacaulinita 10% Metacaulinita 20% Metacaulinita % Metacaulinita % Metacaulinita FIGURA 1 RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO SIMPLES METACAULINITA (# C 2h) FIGURA 2 RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO SIMPLES METACAULINITA (# C 2h) % Metacaulinita 10% Metacaulinita 20% Metacaulinita % Metacaulinita % Metacaulinita % Metacaulinita 10% Metacaulinita 20% Metacaulinita % Metacaulinita % Metacaulinita FIGURA 3 RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO SIMPLES METACAULINITA (# C 2h) FIGURA RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO SIMPLES METACAULINITA (# h) 381

6 % Metacaulinita 10% Metacaulinita 20% Metacaulinita % Metacaulinita % Metacaulinita % Metacaulinita 10% Metacaulinita 20% Metacaulinita % Metacaulinita % Metacaulinita FIGURA 5 RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO SIMPLES METACAULINITA (# C 2h) FIGURA 6 RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO SIMPLES METACAULINITA (# C 2h) Ensaio de Propagação de Onda-ultrasônica Os gráficos com os resultados do ensaio de velocidade de propagação de onda ultra-sônica nos corpos de prova curados aos 28 dias são apresentados nas figuras 7 a 12. De acordo com os resultados observa-se que com 10% de substituição do cimento por metacaulinita (#200 e # C-800 C-900ºC) houve aumento na velocidade de propagação da onda ultra-sônica em relação à argamassa de referência (0% de substituição), provocada pelo refinamento dos poros aliado ao incremento da resistência com maior quantidade de hidratos formados, tornando a argamassa mais compacta, propiciando rapidez na propagação da onda. Com 20%, % e % de substituição do cimento, constata-se que a velocidade de propagação da onda ultra-sônica diminuiu para todas as substituições por metacaulinita (#200 e # C-800 C-900ºC), independente do ganho da resistência em função da atividade pozolânica, isso pode ser explicado pelo fato da metacaulinita ser um material poroso que quando substituído pelo cimento nas proporções de 20% % e % aumenta a porosidade da pasta a medida em que o nível de substituição aumenta, pois o C-S- H gel produto da reação pozolânica entre a metacaulinita e o hidróxido de cálcio originado da hidratação do cimento preenche parcialmente as conexões entre os poros e este também contém poros que são considerados muitos pequenos, como conseqüência, a porosidade da pasta aumenta e a velocidade de propagação da onda diminui. 382

7 ,35 52,31,3,26,25,2,23 8 7,2 7,6,16 6 5,,1,2,05,08 2 3, % de substituição do cimento FIGURA 7 VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO DE ONDA ULTRA-SÔNICA X % DE SUBSTITUIÇÃO DO CIMENTO POR METACAULINITA (# C 2H) X RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO SIMPLES,3,25,2,1,05 3,95 3,9 3,85 3,8,2 9,3,21 8,23 7,2,0 3,7 3, % de substitução do cimento FIGURA 8 VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO DE ONDA ULTRA-SÔNICA X % DE SUBSTITUIÇÃO DO CIMENTO POR METACAULINITA (# C 2H) X RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO SIMPLES,3,25,2,1,05,23,2,29 2, 3,3,22,19 7,1 55,, % de substituição do cimento velocidade Km/s FIGURA 9 VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO DE ONDA ULTRA-SÔNICA X % DE SUBSTITUIÇÃO DO CIMENTO POR METACAULINITA (# C 2h) X RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO SIMPLES 383

8 ,3,25,2,1,05 3,95,28,23 57,5 56,3,2 53,6,12,2,, % de substituição do cimento FIGURA 10 VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO DE ONDA ULTRA-SÔNICA X % DE SUBSTITUIÇÃO DO CIMENTO POR METACAULINITA (# C 2H) X RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO SIMPLES,25,23,2 53,8 55,21 53,2, ,5 9,7 9,11,1 7,05,2, % de sbstituição do cimento FIGURA 11 VELOCIDADE PROPAGAÇÃO DE ONDA ULTRA-SÔNICA X % DE SUBSTITUIÇÃO DO CIMENTO POR METACAULINITA (# C 2H) X RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO SIMPLES,3,25,2,1,05 3,95 3,9 3,85,23,25,2 9,7 52 6,1 8 6,2,8 2,5 3, % de substituição do cimento velocidade (Km/s) FIGURA 12 VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO DE ONDE ULTRA-SÔNICA X % DE SUBSTITUIÇÃO DO CIMENTO POR METACAULINITA (# C 2H) X RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO SIMPLES Índice de Atividade Pozolânica com o Cimento 38

9 Na Tabela são apresentados os resultados obtidos para os ensaios do índice de atividade pozolânica com o cimento das amostras do caulim calcinado nas diferentes temperaturas. Os resultados do índice de atividade pozolânica com cimento variaram de 86,0 a 99,% para o caulim #200, 92,2 a 99,0% para o caulim #325. A NBR (1992) [10] estipula um valor mínimo de 75% para o índice de atividade pozolânica com o cimento. Conforme a especificação os caulins #200 e #325 calcinados nas diferentes temperaturas apresentaram índices de atividade pozolânica com o cimento satisfatório, superiores a 75%. TABELA ÍNDICE DE ATIVIDADE POZOLÂNICA COM O CIMENTO DO CAULIM CALCINADO ARGAMASSAS MÉDIA I. A. P. CP (%) Referência,2 32,1,9 31,1 - # O C 25,0 27,3 27,8 26,7 86,0 # O C,0 32,2,5,9 99, # O C 31,6 3,*,1,8 99,0 # O C 28,7 31,7* 28,7 28,7 92,2 # O C 31,6 29, 31,3,8 99,0 # O C 23,9* 29,5 28,8 29,1 93,6 I.A.P.CP Índice de Atividade Pozolânica com o Cimento Portland (CP II F 32) * Resultado não considerado para o cálculo da média e do desvio padrão CONCLUSÕES Calcinação a 700 C já é suficiente para transformar a caulinita em metacaulinita Consegue-se ganhos de resistência significativos quando se usa taxa de substituição de % A maior finura do material implica em maior performance O caulim paraibano calcinado apresenta potencial para servir como material de substituição do cimento Apesar de aumentar a resistência, o caulim promoveu uma diminuição na velocidade de propagação de onda ultra-sônica por serem os grãos do caulim provavelmente mais porosos que os de cimento. REFERÊCIAS 385

10 1. Souza Santos P. Ciência e Tecnologia de argilas, 2ª ed. rev. amp., Editora Edgard Blücher, São Paulo, Shvarzman A, Kovler K, Grader GS, and Shter GE. The effect of dhydroxylation/amorphization degree on pozzolanic activity of kaolinite, Cement and Concrete Research, vol. 33, pp.5-16, Elsevier Science Ltd, Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 722 Cimento Portland e outros materiais em pó Determinação da área específica. Rio de Janeiro Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR Argamassas para assentamento de paredes e revestimento de paredes e tetos Determinação do teor de água para obtenção do índice de consistência Padrão. 5. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 7215 Cimento Portland-Determinação da Resistência à Compressão, Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 8802 Concreto Endurecido Determinação da velocidade de propagação de onda ultra-sônica. Rio de Janeiro Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 5752 Materiais pozolânicos Determinação da atividade pozolânica com o cimento Portland Índice de atividade pozolânica com o cimento. Rio de Janeiro, American Society for Testing and Materials, ASTM C618, Specifications for fly ash and raw or calcined natural pozzolan for use as a mineral admixture in Portland cement, Varshney, R.S., Concrete technology. Oxford: IBH Company, Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 1653 Materiais Pozolânicos Especificação. Rio de Janeiro