Avaliação da reação álcali agregado da areia natural da região metropolitana de Porto Alegre, Brasil e do uso de sílica ativa

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1 Manifestações patológicas na construção Avaliação da reação álcali agregado da areia natural da região metropolitana de Porto Alegre, Brasil e do uso de sílica ativa Evaluation of alkali aggregate reaction of natural sand in the metropolitan region of Porto Alegre, Brazil and use of silica fume BAPTISTA, Allan Silveira(1); HÖEHR, Guilherme Trindade(2); DAL MOLIN, Denise Carpena Coitinho(3) (1) Graduando em Engenharia Civil NORIE Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brasil (2) Doutorando em Engenharia Civil NORIE Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brasil (3) Programa de Pós Graduação NORIE Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brasil Resumo Existem vários processos de deterioração que interferem na qualidade e durabilidade de um concreto, dentre estes processos encontra se a reação álcali agregado (RAA). A RAA é um termo geral utilizado para descrever a reação química que ocorre internamente em uma estrutura de concreto, envolvendo os hidróxidos alcalinos provenientes do cimento e contaminantes do meio com alguns minerais reativos presentes no agregado. Como resultado da reação, obtemos produtos que na presença de umidade são capazes de expandir no interior da massa de concreto, gerando fissuras internas e externas. Este trabalho avaliou o potencial reativo de uma areia silicosa natural, habitualmente utilizada na confecção de concreto, da região metropolitana de Porto Alegre, RS, Brasil. Assim como, o emprego de sílica ativa, como medida preventiva, em substituição parcial ao cimento Portland. O método adotado nesta pesquisa foi o acelerado em barras de argamassa conforme a NBR /5 [1,2], pois este permite uma avaliação rápida do comportamento de um agregado frente à RAA. Os resultados apontaram uma alta reatividade da areia utilizada, pois ultrapassaram os limites estabelecidos em norma, que necessitou a adição do material pozolânico para mitigar a expansão. Palavra Chave: reação álcali agregado, sílica ativa, areia. Abstract Several processes affect the quality deterioration and durability of concrete, among these processes is the alkaliaggregate reaction (AAR). The AAR is a general term used to describe the chemical reaction that occurs internally in a concrete structure, involving alkalis from the cement and contaminating the environment with some reactive minerals present in the household. As a result of the reaction, we get products in the presence of moisture are able to expand within the mass concrete, causing cracks inside and outside. This work intends to evaluate the potential reactive of a natural sand, commonly used to make concrete, the metropolitan area of Porto Alegre, RS, Brazil. And, if necessary, using preventative measures through the use of pozzolan in partial replacement for cement. The method used in this research was the accelerated mortar bars according to NBR /5 [1,2], as this allows a rapid assessment of the behavior of an aggregate front of the RAA. The results showed a high reactivity of sand used because exceeded the limits set in standard, requiring adding pozzolanic to mitigate expansion. Keywords: alkali aggregate reaction, silica fume, sand.

2 1 Introdução As obras civis de Porto Alegre e região metropolitana utilizam as areias retiradas dos rios que banham tais municípios como agregado na produção de concreto e argamassa. Visando a qualidade e durabilidade das estruturas de concreto, realizou se estudos quanto a Reação Álcali Agregado (RAA) em amostras dessas areias. A RAA é um tipo de reação expansiva bastante conhecida devido ao grande número de casos registrados no mundo [3]. A RAA ocorre devido ao processo químico que provém da reação dos compostos mineralógicos do agregado com hidróxidos alcalinos originários do cimento, água de amassamento e agentes externos, os quais estão dissolvidos na solução dos poros de concreto. O produto resultante dessa reação é um gel cristalino expansivo na presença de umidade, podendo originar fissuras, aumento de permeabilidade, diminuição da resistência e consequentemente a ruptura da estrutura. Por trazer tanto risco as obras civis e não havendo um método eficiente na solução desse problema quando instalado a melhor solução técnico/econômica para se combater a RAA é a prevenção [4]. Os ensaios, regidos pela norma NBR [5] estabelecem limites de expansão em um determinado corpo de prova, concluindo se este é potencialmente reativo ou potencialmente inócuo. A utilização de areia considerada reativa em concreto, somada a um ambiente úmido, geram patologias muitas vezes irreversíveis. A fim de evitar esse problema, adiciona se material de característica pozolânica que, em algumas quantidades inibem a reação, tornando o agregado que antes era considerado portencialmente reativo, em portencialmente inócuo, conhecido como mitigação.. 2 Materiais e Métodos Nesta seção estão descritos os materiais e os métodos utilizados na pesquisa. 2.1 Materiais Foi recebido, por meio de doação, uma amostra de 100 kg de areia que seria utilizada na construção civil, mais precisamente em empreendimentos localizados na região metropolitana de Porto Alegre. A areia foi lavada, com o objetivo de retirar impurezas que pudessem ter sido agregadas no transporte até o local da pesquisa, e separada em diferentes granulometrias, conforme Fig. 1. Fig. 1 Areia separada em diferentes granulometrias

3 O cimento utilizado na pesquisa foi o CPV ARI, por se tratar de um cimento com pouca ou nenhuma adição de fíler, que em grandes quantidades poderiam comprometer nos resultados finais da pesquisa. Com o intuito de inibir a reação adicionamos determinadas quantidades de sílica ativa, que é um produto resultante do processo de fabricação de ferro silício ou de silício metálico e possui característica pozolânica. Abaixo observamos os materias utilizados e suas características visuais. Fig. 2. Fig. 2 Materiais utilizados na pesquisa 2.2 Métodos Segundo a ABNT NBR [1] Determinação da expansão em barras de argamassa pelo método acelerado foram moldados 4 traços com diferentes teores de substituição em peso de sílica ativa no cimento. Os traços que foram investigados estão relacionados abaixo: Traço referência Com 100 % de cimento CP V ARI para teste de expansão da areia NBR [1]; Traço com substituição de 5 % de cimento por sílica ativa para mitigação das reações de expansão NBR [2]; Traço com substituição de 15 % de cimento por sílica ativa para mitigação das reações de expansão NBR [2]; Traço com substituição de 25 % de cimento por sílica ativa para mitigação das reações de expansão NBR [2]. Primeiramente foram moldadas 4 barras de argamassa para cada traço, cada um com 1320g de agregado miúdo e relação a/c igual a 0,47. Cada corpo de prova possui medidas de 25x25x285mm. Cada traço difere pela relação cimento/sílica ativa. O Referência possui 587g de cimento; o 5% possui 557,65g de cimento e 29,35g de sílica; o 15% possui 498,9g de cimento e 88,1g de sílica e o 25% com 440g de cimento e 147g de sílica. Os traços de 15% e 25% receberam 1,5g e 2,3g de aditivo plastificante mantendo os limites do abatimento exigido.

4 Após a moldagem, os corpos de prova acabaram sendo curados em câmara úmida e posteriormente colocados em banho térmico a 80 C com água. No dia seguinte, as barras foram medidas (leitura zero) e colocados em banho térmico a 80 C com reagente (solução de NaOH), base que aumenta a velocidade da reação álcali sílica. O próximo passo da pesquisa foi medir os corpos de prova, avaliar o quanto de expansão ocorreu e se atendem os limites estabelecidos por norma. Ao todo, sete leituras foram realizadas, incluindo a leitura zero, com ênfase no 16º e 30º dias, com duas leituras em dias alternados entre essas datas. 3 Resultados e Discussões Os limites estabelecidos em norma brasileira são de 0,19 % aos 30 dias para amostras com adição ou de 0,10 % aos 16 dias para o traço sem adição, porem existem muitas discussões quanto aos limites propostos, Stark et al.[6] propôs um único limite de 0,08%, muito inferior ao citado anteriormente. A ASTM C 1260/94 [7] propõe que o ensaio acelerado em barras de argamassa deve ser feito em 16 dias, porém nesse curto período de tempo podemos ter um comportamento indefinido de algumas combinações. [8]. Observamos que após 30 dias sob ação do reagente, os corpos de prova com nenhuma e 5 % de adição pozolânica, obtiveram valores superiores aos limites estabelecidos em normas, sendo considerados potencialmente reativos, porém não foi observado o teor péssimo aos 5 % que seguidamente a literatura cita como responsável por um aumento da RAA. Os traços com 15 % e 25 % de sílica demonstraram eficiência inibindo a reação álcali agregado e tornaram as amostras potencialmente inócuas. A Fig. 3 ilustra os quatro traços e suas respectivas expansões médias dos corpos de prova de diferentes traços, ao longo do tempo de ensaio, bem como os limites aos 30 dias (em preto) e aos 16 dias (em vermelho). Fig. 3 Expansão média dos corpos de prova.

5 Amostras de agregados oriundos de rios da região metropolitana de Porto Alegre, já haviam sido estudadas anteriormente por Tiecher [9], porém com diferentes tipos de cimentos e obtiveram um resultado semelhante a essa pesquisa. A amostra testada com CP V ARI expandiu 0,27 % aos 16 dias, a amostra testada com CP V ARI RS teve uma expansão ainda maior, de 0,36 % também aos 16 dias, ambas foram consideradas reativas. É importante destacar a peculiaridade desses resultados; o CP V ARI RS possui adições pozolânicas, e deveria ter expandido menos que a amostra com CP V ARI, fato que não se comprovou. As hipóteses propostas pela autora para este fenômeno são duas: ou o teor de adições existentes no CP V ARI RS não é suficiente para inibir a reação expansiva, ou o tipo de adição não é suficiente no combate a RAA. Em contraponto, Kormann et al. [10] afirma que com o intuito de tornar a reação inócua, em alguns casos usa se CP IV ou CPV ARI RS pois as adições presentes nestes tipos de cimento podem agir sobre a RAA, dependendo do potencial reativo do agregado utilizado. Assim como os resultados obtidos, confirma se um fato citado por Hasparyk [8], de que as adições geram comportamento inócuo a partir de 12 % e à medida que se aumentam os teores, no caso para 15 e 25 %, as expansões foram reduzidas, portanto, a sílica ativa pode ser considerada uma adição mineral pozolânica muito eficiente no combate a RAA. Porém Munhoz [11] acredita que adições de sílica ativa maiores que 10 % já são suficientes para comportamento inócuo das amostras, pois conforme citado na ASTM C 1567 [12], seu estudo não ultrapassou o limite de 0,10 % na idade de 14 dias. Este mesmo autor afirma que a quantidade de sílica ativa necessária para mitigação da RAA pode variar conforme o tipo de agregado estudado, por exemplo, o basalto, que 9 % de adição já foram suficientes e o milonito granítico, que necessitou de 10 % de adição. Observamos que a norma brasileira não estabelece limite aos 14 ou 16 dias para amostras com adição, diferente da norma americana, que prefere unificar o experimento em apenas uma classificação. Desta forma, podemos ter amostras classificadas de forma divergente, isso comprova a necessidade de que ocorram mais estudos a fim de descobrir qual o verdadeiro limite entre uma amostra inócua e uma amostra reativa e em qual idade podemos fazer tal classificação. 4 Conclusão Pelo método acelerado a 80 C em barras de argamassa conforme NBR /5 [1,2]: A areia natural da região metropolitana de Porto Alegre ultrapassou o limite de expansão, sendo considerada potencialmente reativa nas duas idades avaliadas 16 e 30 dias. A substituição de 5 % de cimento por sílica ativa não foi suficiente em reduzir a expansão, sendo considerada insuficiente na mitigação da RAA. A substituição de 15 % de cimento por sílica ativa foi suficiente em reduzir a expansão, sendo considerada mitigadora da RAA. A substituição de 25 % de cimento por sílica ativa foi suficiente em reduzir a expansão, sendo considerada mitigadora da RAA.

6 5 Referências IX Congreso Internacional sobre Patología y Recuperación de Estructuras [1] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR , agregados Reatividade álcali agregado Parte 4: Determinação da expansão em barras de argamassa pelo método acelerado, [2] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR , agregados Reatividade álcali agregado Parte 5: Determinação da mitigação da expansão em barras de argamassa pelo método acelerado, [3] KIHARA, Y & SCANDIUZZI, L.. Reação álcali agregado: mecanismo, diagnose e casos brasileiros. In: 3º congresso brasileiro de cimento, 1993, São Paulo. Anais... São Paulo: Associação Brasileira de Cimento Portland, [4] SANCHEZ, L., KUPERMAN, S., HELENE, P. Reação álcali agregado Método Acelerado Brasileiro de Prismas de Concreto (ABCPT). Anais de 50 Congresso Brasileiro do Concreto CBC CBC0223, [5] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR , agregados Reatividade álcali agregado Parte 1: Guia para avaliação da reatividade potencial e medidas preventivas para uso de agregados em concreto, [6] STARK, D., MORGAN, B., OKAMOTO, P., DIAMOND, S. S HRP C 343: Eliminating or minimizing lakali silica reactivity. Washington, DC: Strategic Highway Research Program, 1993, p [7] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Standard test method for potential alkali reactivity of aggregates (mortar bar method): ASTM C West Conshohocken, [8] HASPARYK, N. P. Investigação dos mecanismos da reação Álcali Agregado Efeito da cinza de casca de arroz e da sílica ativa. Dissertação de mestrado em engenharia civil na UFG. Goiás GO, Brasil [9] TIECHER, F. Reação Álcali Agregado: Avaliação do comportamento de agregados do sul do Brasil quando se altera o cimento utilizado. Dissertação de mestrado na UFRGS. Porto Alegre RS, Brasil [10] KORMANN, A. M., VALDUGA L. Análise de Areias Naturais da Região Metropolitana de Curitiba quanto à Reatividade Potencial. Curitiba PR, Brasil [11] MUNHOZ, F. Efeitos de adições ativas na mitigação das reações Álcali Sílica e Álcali Silicato. Dissertação de mestrado na USP. São Paulo SP, Brasil [12] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Standard Test Method for Determining the Potential Alkali Silica Reactivity of Combinations of Cementitious Materials and Aggregate (Accelerated Mortar Bar Method): ASTM C Philadelphia, 2005.