TECNOLOGIA DO CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO (CAD)

Transcrição

1 i DANILO DE AGUIAR GARCEZ TECNOLOGIA DO CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO (CAD) Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como exigência parcial para a obtenção do título de Graduação do Curso de Engenharia Civil da Universidade Anhembi Morumbi Orientador: Prof Msc. Eng Fernando Relvas SÃO PAULO 2008

2 ii DANILO DE AGUIAR GARCEZ TECNOLOGIA DO CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO (CAD) Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como exigência parcial para a obtenção do título de Graduação do Curso de Engenharia Civil da Universidade Anhembi Morumbi Trabalho em: de de Nome do Orientador Nome do professor da banca Comentários:

3 iii RESUMO O concreto de alto desempenho já é uma realidade no Brasil e o emprego de concretos com resistências maiores que as usuais de 40 a 50 MPa tem se difundido muito nos últimos anos. As empresas de concreto pré-misturado, bem como os centros de pesquisa, estão capacitados a obter esses concretos usados principalmente em estruturas de edifícios, pontes e pré-moldados, reduzindo a seção de pilares e cargas nas fundações e aumentando a durabilidade. Neste trabalho procurou-se mostrar a utilização do concreto de alto desempenho em edifícios e mostrar algumas se suas vantagens em relação a redução de custos principalmente quando comparado ao concreto convencional. A conclusão mostrou a significativa redução de custo, em edifícios de maior porte. Palavra-chave: Concreto de alto desempenho, e-tower, sílica ativa.

4 iv ABSTRACT The high-performance concrete is already a reality on Brasil, and the utilization of concretes with hardness bigger than usual - from 40 to 50 Mpa - have been very utilized on lattest years. The pré-mixed concrete companies, as the research centers, are qualified to obtain these concretes, used mostly on buildings estructures, bridges and pré-molded, reducing the standard section and foundations loads, increasing it's durability. In this work sought to show-use of concrete high performance in buildings and show some advantages in relation to reduce costs mainly when compared to conventional concrete. The conclusion showed a significant reduction of cost, in buildings larger. Keywords: high-performance concrete, e-tower,

5 v LISTA DE FIGURAS Figura Influência da lavagem dos agregados na resistência à compressão do concreto (Almeida, 1994) Figura 6.1 Concretagem da super sapata, concreto com gelo (Hartmann e Helene, 2005) Figura 6.2 (a) Pilar de alto desempenho do subsolo, comparado com (b) pilar com fck 40 MPa também do sub-solo. A redução da dimensão permite cumprir as exigências arquitetônicas (Hartmann e Helene, 2005) Figura 6.3 (a) colocação do aditivo superplastificante (b) Colocação do gelo Figura 6.4 Lançamento do concreto com a caçamba e grua... 49

6 vi LISTA DE TABELAS Tabela Compostos principais do cimento Portland (Neville, 1997) Tabela 5-2 Classificação dos cimentos Portland comercializados no Brasil. (NBR 11578) Tabela 5-3 Limites granulométricos do agregado miúdo (NBR 7211) Tabela 5-4 Limites granulométricos do agregado graúdo (NBR 7211) Tabela 5-5 Classificação dos aditivos químicos segundo a NBR (EB- 1763/1992) Tabela 5-6 Classes diferentes de concreto de alto desempenho (Aiticin, 200) Tabela 6-1 Materiais empregados no HPCC Tabela 6-2 Comparação dos resultados dos ensaios realizados pela ABCP para os concretos de 125 MPa e 35 MPa (resistências empregadas na obra e-tower). 49

7 vii LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS A a/c ABCP ABNT ACI ASTM BT CAD CAR CCA CP Dmax Fcm3 Fcm7 Fcm28 Fcm91 Fccm28 Fcd28 fck IPT ISRM JCPDS ma mb mm Coeficiente, usado na dosagem, que expressa a qualidade da brita Relação água/cimento, em massa Associação Brasileira de Cimento Portland Associação Brasileira de Normas Técnicas American Concrete Institute American Society for Testing and Materials Boletim técnico Concreto de alto desempenho Concreto de alta resistência Cinza de casca de arroz Cimento Portland Diâmetro máximo Resistência média à compressão do concreto aos 3 dias de idade Resistência média à compressão do concreto aos 7 dias de idade Resistência média à compressão do concreto aos 28 dias de idade Resistência média à compressão do concreto aos 91 dias de idade Resistência média à compressão do cimento aos 28 dias de idade Resistência desejada do concreto à compressão especificada aos 28 dias de idade Resistência característica do concreto à compressão especificada no projeto estrutural Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S.A. International Society for Rock Mechanics Joint Committee on Powder Diffraction Standards Massa específica da areia Massa específica da brita Massa específica da brita

8 viii LISTA DE SÍMBOLOS CH C-S-H C3S C2S C3A C4AF Hidróxido de cálcio (CA(OH)2) Silicato de cálcio hidratado Silicato tricálcio Silicato dicálcio Aluminato tricálcio Ferroaluminato tetracálcio

9 ix SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivo Específico MÉTODO DE TRABALHO JUSTIFICATIVA CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO Princípios do concreto de alto desempenho Materiais constituintes Cimento portland Agregado miúdo Agregado graúdo Aditivos químicos Aditivos superplastificantes Água Materiais cimentícios suplementares Sílica ativa Escória de alto-forno Cinza volante Classes do concreto de alto desempenho Métodos de dosagem do cad Dosagem de concreto de alto desempenho Processando o concreto de alto desempenho Mistura Transporte Lançamento Adensamento Cura ESTUDO DE CASO Edifício e-tower Fôrmas Concreto Mistura Transporte do concreto Lançamento e adensamento Cura... 49

10 6.1.7 Controle da qualidade ANÁLISE OU COMPARAÇÃO/CRÍTICA CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÊNDICE ANEXO x

11 11 1 INTRODUÇÃO Atualmente, poucos materiais têm uso tão difundido na engenharia quanto o concreto de cimento Portland. Devido às suas excepcionais qualidades, o concreto possibilitou ao homem moderno mudanças expressivas, tanto na arquitetura quanto na engenharia, além de seu próprio modo de vida. Os resultados são novos desafios à pesquisa do concreto, particularmente o que diz respeito ao concreto de alto desempenho, um material com melhores índices de resistência e durabilidade, alcançadas a partir de adições químicas e minerais. A presente dissertação está estruturada em seis capítulos. O capítulo 1 e 2 compreende a introdução e o objetivo do trabalho de pesquisa respectivamente. No capítulo 5 é apresentada a revisão bibliográfica referente ao concreto de alto desempenho, considerando aspectos de sua aplicação, materiais constituintes e procedimentos de produção. Também são discutidas, neste capítulo, características de dosagem de concreto de alto desempenho. Já no capítulo 4, o estudo de caso é descrito através do detalhamento do concreto de alto desempenho utilizado no edifício e-tower.

12 12 2 OBJETIVOS Este trabalho tem como objetivo demonstrar a utilização do concreto de alto desempenho em edifícios. 2.1 Objetivo Geral O concreto de alto desempenho (CAD) é um material diferente do concreto convencional, o objetivo é mostrar sua tecnologia do CAD, os tipos de materiais usados e o estudo para elaboração dos traços. 2.2 Objetivo Específico O CAD é um produto pouco difundido na construção civil, e a sua aplicação se resume hoje, quase que somente a grandes prédios de escritórios. O objetivo é mostrar mais este material para poder assim contribuir para a ampliação de sua utilização.

13 13 3 MÉTODO DE TRABALHO Este trabalho foi elaborado a partir de pesquisas feitas em livros, sites da Internet, revistas técnicas e artigos publicados por profissionais da área, Instituto Brasileiro de Concreto (IBRACON) e Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP).

14 14 4 JUSTIFICATIVA O concreto convencional é um dos produtos mais consumidos do mundo, só perde para a água, por isso ele vem sendo fruto de muitos estudos pelo mundo a fora, já o CAD vem sendo usado a muito tempo no exterior mas no Brasil não faz muito tempo, então é necessário por menor que seja a contribuição um estudo feito sobre o CAD para os profissionais da área e até para os futuros alunos da Anhembi Morumbi como fonte de pesquisa para seus trabalhos.

15 15 5 CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO Segundo Amaral Filho (1992), por mais de um século, o concreto estrutural tem sido rotineiramente produzido para a obtenção de resistência aos 28 dias de idade na faixa de 20 MPa a 30 MPa, ou até para níveis acima de 35 MPa. Ocasionalmente, em circunstâncias especiais, obtinham-se resistências mais altas, produzindo-se o chamado concreto de alta resistência. Há 30 anos, o termo alta resistência era aplicado para concretos com resistências próximas ou maiores que 40 MPa. Mais recentemente, têm-se alcançado resistências de 50 a 60 MPa e nos últimos 15 anos concretos com resistências maiores têm sido empregados na construção de edifícios muito altos e pontes. Resistência de 90 MPa, 100 Mpa e 110 MPa e de até 120 MPa têm sido obtidas de maneira quase rotineira. Conforme Amaral Filho (1992), o concreto de alto desempenho é uma evolução dos concretos produzidos ao longo dos anos, uma das grandes diferenças de um concreto convencional para o de alto desempenho é maior controle na seleção dos materiais e nas etapas de dosagem, mistura, adensamento, transporte e cura, juntase a isso o uso preciso de aditivos químicos e minerais isso nos permite a produção de concretos com propriedades melhoradas. Amaral Filho (1992), define a durabilidade de um concreto como sua habilidade para resistir às ações atmosféricas, ataques químicos, abrasão e outros processos de deterioração. As ações atmosféricas referem-se aos efeitos ambientais, tais como exposição a ciclos de molhagem secagem e congelamento e descongelamento. Os processos de deterioração química incluem ataque de substâncias ácidas e reações de expansão, tais como reações de sulfatos, reações álcali-agregados e corrosão de armaduras de aço no concreto. 5.1 Princípios do concreto de alto desempenho Hoje em dia, podem-se produzir rotineiramente concretos com 140 MPa, mas concreto de alto desempenho não é a mesma coisa que concreto de alta resistência. O enfoque se deslocou da resistência muito alta para outras propriedades

16 16 desejáveis em determinadas circunstâncias. Estas são: elevado módulo de elasticidade, elevada densidade, baixa permeabilidade e resistência a certos tipos de ataque. (Evangelista, 1996) O concreto de alto desempenho contém sempre fumo de sílica ao passo que o concreto comum normalmente não, o concreto de alto desempenho, geralmente, embora não sempre, contém cinza volante ou escória granulada de alto forno ou ambos os materiais. O agregado deve ser escolhido com muito cuidado e tem um tamanho máximo menor do que o dos concretos comuns, no máximo, geralmente, 10 mm a 14 mm, para se evitarem as tensões diferenciais na interface agregadopasta de cimento, que poderia resultar microfissuração. (Evangelista, 1996) Outro ponto a propósito dos ingredientes é este: a inclusão do fumo de sílica na mistura necessita de um superplastificante. Não é recomendável o uso de qualquer superplastificante com qualquer cimento Portland; o superplastificante deve ser compatível com o cimento a ser efetivamente usado. (Evangelista, 1996) 5.2 Materiais constituintes Cimento portland O cimento Portland é um material pulverulento, aglomerante hidráulico, composto basicamente de silicatos de cálcio e aluminatos de cálcio que misturados à água se hidratam e, depois de endurecidos, mesmo que sejam submetidos novamente à ação da água não se decompõem mais. Para a fabricação do cimento são empregados materiais calcáreos, como rocha calcárea e gesso, e alumina e sílica, encontradas facilmente em argilas e xistos. O processo de fabricação do cimento Portland consiste essencialmente em moer a matéria-prima, misturá-la nas proporções adequadas e queimar essa mistura em um forno rotativo até uma temperatura de cerca de 1450ºC. Nessa temperatura, o material sofre uma fusão incipiente formando pelotas, conhecidas como clínquer. O

17 17 clínquer é resfriado e moído, em um moinho de bolas ou de rolo, até formar um pó bem fino (geralmente menor que 75 µm), com adição de um pouco de gesso, resultando o cimento Portland largamente usado em todo mundo (Neville, 1997). A mistura e moagem das matérias-primas podem ser feitas tanto em água quanto a seco, daí a denominação dos processos de via úmida e de via seca. Alguns materiais como areia, bauxita e minério de ferro, são adicionados como corretivos, cuja função é suprir de elementos que não se encontrem disponíveis nas matériasprimas principais. Durante a queima ocorrem inúmeras reações de estado sólido entre as fases constituintes, reações envolvendo essas fases e a parte fundida do material e, ainda, a ocorrência de transformações mineralógicas em função do resfriamento, gerando os principais componentes do cimento (Tabela 5.1), que quando hidratados fornecem as principais propriedades deste material (Neville, 1997). A última etapa de fabricação do cimento Portland constitui-se no resfriamento imposto aos nódulos produzidos, sendo de grande importância para a definição da reatividade e estabilidade das fases do clínquer. Tabela Compostos principais do cimento Portland (Neville, 1997). Nome do composto Composição em óxidos Abreviação Silicato tricálcio 3CaO.SiO2 C3S Silicato dicálcio 2CaO.SiO2 C2S Aluminato tricálcio 3CaO.Al2O3 C3A Ferroaluminato tetracálcico 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF As reações químicas entre os silicatos e aluminatos relacionados na Tabela 5.1 com a água são denominados de reações de hidratação do cimento e geram uma massa firme e resistente. Essas reações de dissolução e formação de novas fases ocorrem quase que instantaneamente, na medida em que se adiciona água ao cimento Portland.

18 18 De acordo com Mehta e Monteiro (1994), o C3S apresenta rápida hidratação, desprendendo uma quantidade média de calor, gera um gel de silicato de cálcio hidratado (C-S-H) e cristais de hidróxido de cálcio Ca(OH)2 (C-H). Este composto contribui para elevar a resistência inicial da pasta endurecida e aumentar sua resistência final. Já o C2S, que desprende uma quantidade pequena de calor durante sua lenta hidratação, também é responsável pelo aumento de resistência nas idades avançadas e produz um volume menor de Ca(OH)2, em comparação com o C3S. Responsável pelas primeiras reações de hidratação, o C3A libera uma grande quantidade de calor para formar aluminatos hidratados. O C4AF também se hidrata rapidamente (semelhante ao C3A), mas exerce pouca influência sobre a resistência mecânica da pasta. Ressalta-se que um dos primeiros avanços no sentido de melhor compreender o processo de hidratação do cimento Portland foi, inegavelmente, a análise em separado do comportamento exibido pelas diversas fases do clínquer em pastas hidratadas. A princípio o cimento Portland pode ser constituído unicamente de clínquer e de uma substância reguladora de pega, caracterizando o que se convencionou denominar cimento Portland comum. Entretanto, ao longo do tempo, outros materiais começaram a ser utilizados em conjunto com o clínquer, constituindo os cimentos com adições. Desta forma, a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) define o cimento Portland em tipos e classes de acordo com os seus componentes e propriedades. A classe do cimento caracteriza sua resistência mínima potencial aos 28 dias, sendo dividida em três níveis: 25 MPa, 32 MPa e 40 Mpa. A Tabela 5.2 apresenta a classificação dos principais tipos de cimentos comercializados no Brasil.

19 19 Tabela 5-2 Classificação dos cimentos Portland comercializados no Brasil. (NBR 11578). Tipo de cimento Sigla Clínquer + gesso Composição (percentual em massa) Escória granulada Material de pozolânico alto-forno Material carbonático Comum CP I 100 CP I S Composto CP II E CP II Z CP II F Alto-forno CP III Pozolânico CP IV Alta res. CP V Inicial ARI Branco estrutural CPB * 0 25 * No cimento branco é utilizado um clínquer com baixos teores de óxidos de ferro e manganês. Obs.: Se a sigla do cimento estiver acrescida do sufixo RS significa que o cimento Portland é resistente aos sulfatos (por exemplo: CP II 40 RS). Para aplicação em concreto de alto desempenho, Mehta e Aiticin (1990) apud Cordeiro (2001) comentam que é possível a utilização de qualquer tipo de cimento, sendo preferível, no entanto, o cimento Portland comum e aqueles com elevado teor de C3S e C2S. De acordo com Neville (1997), os dois silicatos necessitam praticamente da mesma quantidade de água para hidratação, mas o C3S produz mais que o dobro da quantidade de hidróxido de cálcio, quando comparado com o C2S. Isto proporciona uma menor durabilidade quanto ao ataque de águas ácidas e/ou sulfatadas. O hidróxido de cálcio no concreto pode reagir com um agregado ácido (calcedônia, por exemplo) dando origem a um silicato de cálcio hidratado. Esta reação, contudo, causa um aumento de volume indesejável. Na opinião de Mehta e Aiticin (1990) apud Cordeiro (2001), não há critérios científicos fixos que especifiquem o cimento mais adequado para o concreto de alta resistência, só é necessária uma seleção criteriosa do cimento, quanto ao tipo, para concretos com uma resistência acima de 90 MPa. O melhor cimento para concreto de alto desempenho é o que apresenta menor variabilidade nas sua propriedades e principalmente na resistência.

20 20 De acordo com Vieira et al. (1997) a escolha do tipo de cimento vai ser função não só da disponibilidade de mercado, mas, sobretudo, das propriedades que o concreto a ser produzido deverá possuir. Os autores enfatizam que, para cada situação específica de projeto, todas as condições deverão ser avaliadas detalhadamente, desde as especificações de projeto, condições de cura e aplicação, cronograma de execução, e o que mais se fizer necessário para que o cimento escolhido seja o mais adequado, contribuindo, desta forma, para o aumento da vida útil da estrutura de concreto. Enfim, para a escolha satisfatória do cimento Portland utilizado na produção do concreto de alto desempenho, exigi-se conhecimento técnico e científico deste material Agregado miúdo A ABNT (1983), classifica os agregados miúdos em zonas (muito fina, fina, média e grossa), de acordo com sua composição granulométrica. A tabela 5.3 mostra a classificação, de acordo com a NBR Tabela 5-3 Limites granulométricos do agregado miúdo (NBR 7211). Porcentagem, em massa, retida acumulada na peneira ABNT Abertura da peneira (mm) Zona 1 Zona 2 Zona 3 Zona 4 (muito fina) (fina) (média) (grossa) 9, ,30 0 a 3 0 a 7 0 a 7 0 a 7 4,80 0 a 5* 0 a 10 0 a 11 0 a 12 2,40 0 a 5* 0 a 15* 0 a 25* 5* a 40 1,20 0 a 10* 0 a 25* 10* a 45* 30* a 70 0,60 0 a a a a 85 0,30 50 a 85* 60* a 88* 70* a 92* 80* a 95 0,15 85* a 10 90* a * a * a 100

21 21 * Pode haver tolerância de, no máximo, 5 pontos percentuais em um só dos limites marcados com o símbolo * ou distribuídos em vários deles; * Para agregado miúdo resultante de britamento este limite poderá ser de 80. Segundo Cordeiro (2001), os principais requisitos para a escolha do agregado miúdo baseia-se na quantidade de água de mistura. Segundo o ACI 363 (1991) apud Cordeiro (2001), um agregado miúdo de partículas arredondadas e textura lisa precisa de menor quantidade de água e, por este motivo, é indicado para o concreto de alto desempenho. Como este concreto apresenta uma grande quantidade de material fino, recomenda-se agregado miúdo de forma angular, módulo de finura acima de 3,0 e diâmetro máximo de 4,8 mm (ACI 363, 1991; Canovas, 1988 apud Cordeiro, 2001). Dal Molin (1995) apud Cordeiro (2001) comenta que a seleção do agregado miúdo está condicionada ao consumo de água, fator essencial para garantir uma relação água/aglomerante baixa. Segundo Amaral Filho (1989), com areia natural quartzosa, bem graduada e dentro das especificações, é possível a obtenção de concretos com resistências de até 170 MPa. Conforme Vieira et al. (1997), afirmam que os agregados miúdos exercem maior influência na mistura que os agregados graúdos. Isto se deve ao fato de que a superfície específica dos agregados finos é bem maior e, portanto, necessitam de mais pasta para envolver seus grãos. Teores elevados de agregados miúdos produzirão concretos mais plásticos. Por outro lado, a diminuição da quantidade de agregado miúdo acarreta um decréscimo no teor de pasta necessário, reduzindo o custo final do concreto. Segundo Cordeiro (2001), é imprescindível após a escolha adequada do agregado miúdo, que haja um rigoroso controle de qualidade, pois pequenas variações no teor de umidade e/ou granulometria podem ocasionar mudanças significativas nas propriedades do concreto fresco e endurecido. Neville (1997) sugere que o teor de umidade seja verificado freqüentemente numa obra de concreto, pois seu valor varia conforme o clima e posição de uma amostra no monte de agregado em estoque.

22 22 Ainda de acordo com Neville (1997), quando não for possível a utilização de agregados naturais, deve-se atentar para a granulometria do material britado. Neste caso, obtém-se mais material menor de 75 μm, que gera perda de trabalhabilidade e um pequeno decréscimo na resistência à compressão do concreto. Segundo Cordeiro (2001), deve-se procurar uma proporção ótima de agregados miúdos e graúdos, de acordo com suas características de granulometria e forma, a fim de que uma mistura mais compacta seja obtida, ao menor consumo de pasta possível, e como resultado um menor custo Agregado graúdo Segundo Cordeiro (2001), o termo agregado graúdo descreve partículas maiores que 4,8 mm, responsáveis por uma fração considerável do volume do concreto. Desta forma, os efeitos que este material pode gerar no concreto fresco e endurecido devem ser estudados com atenção. A tabela 2 apresenta os limites granulométricos estabelecidos pela NBR 7211, com as respectivas graduações dos agregados graúdos. Nº Tabela 5-4 Limites granulométricos do agregado graúdo (NBR 7211) Porcentagem retida acumulada, em massa, nas peneiras de abertura nominal (mm) ,5 9,5 6,3 4,8 2, Ainda conforme Cordeiro (2001), em geral estes agregados são procedentes de jazidas naturais, seja na forma de pedregulhos, seixos ou pedra britada. Rochas ígneas, como o granito e basalto, metamórficas como gnaisse e leptinito e sedimentares, como arenitos e calcáreos, são utilizadas em todo mundo. Também podem ser empregados em concreto agregados de escória de alto-forno, de cinza

23 23 volante e agregados reciclados (rejeitos de construção e resíduos cerâmicos, por exemplo). De acordo com Mehta e Monteiro (1994) e as características mais significativas dos agregados graúdos são: Resistência à compressão; Resistência a abrasão; Módulo de elasticidade; Massa específica e massa unitária compactada; Absorção; Porosidade; Composição granulométrica, módulo de finura e dimensão máxima; Forma e textura superficial; Presença de substâncias deletérias. Segundo Cordeiro (2001), a escolha do agregado graúdo é mais complexa que a do agregado miúdo, pois suas propriedades físicas, químicas e mineralógicas afetam consideravelmente a obtenção das propriedades de resistência e durabilidade no concreto. Estudos realizados por Helland (1988) apud Cordeiro (2001), com concretos de várias classes de resistência, utilizando um agregado graúdo de boa qualidade (seixo britado), verificaram que para resistências menores que 80 MPa o concreto se comporta como um material composto. Isto porque as fissuras se desenvolvem na pasta e na interface agregado-pasta. Para resistências entre 80 MPa e 100 MPa a capacidade de carga do agregado e da pasta tem a mesma ordem de grandeza. Desta forma, as fissuras penetram também nos agregados e o material tem um comportamento homogêneo. Com valores de resistência acima de 100 MPa, o concreto adquire novamente um comportamento típico de compósitos, sendo o agregado o componente mais frágil.

24 24 Gonçalves et al. (1994), verificaram em um estudo realizado com agregados rochosos da cidade do Rio de Janeiro que o agregado graúdo pode vir até mesmo a restringir as propriedades do concreto. Constataram, usando gnaisse e granito, que a existência de concretos de resistências menores que as da argamassa e a ocorrência exclusiva de fraturas intergranulares eram indicativos de que os agregados graúdos foram os limitadores das resistências do concreto. Segundo Aϊtcin e Neville (1993) apud Cordeiro (2001) os agregados graúdos menores são geralmente mais resistentes que os agregados maiores. Isto se deve ao processo de britagem, que ocorre preferencialmente em zonas potencialmente fracas na rocha matriz. Assim, quanto menor o agregado utilizado, menor a superfície capaz de reter água durante a exsudação do concreto fresco, o que propicia uma zona de transição de menor espessura e, conseqüentemente, mais resistente. Almeida (1994) comenta que a alta resistência do agregado é uma condição necessária, mas não suficiente, para a produção de concreto de alto desempenho e ressalta a fragilidade da interface agregado-pasta. Mesmo com agregados de grande resistência à compressão, atingi-se um limite acima do qual não é possível elevar a resistência do concreto com o fortalecimento da pasta: o concreto rompe na ligação agregado-pasta. Nos concretos de alto desempenho, comenta Nuñez (1992) apud Cordeiro (2001), há uma transferência direta de tensões entre a pasta e o agregado graúdo a cargas relativamente baixas. Assim, o módulo de elasticidade do concreto é fortemente influenciado pelas propriedades elásticas do agregado graúdo. Segundo Cordeiro (2001) a distribuição granulométrica de um agregado é um fator muito importante pois altera a demanda de água de um concreto. O fator água/aglomerante no concreto de alto desempenho deve ser o menor possível, desta forma a quantidade de água deve ser minimizada, para um determinado abatimento.

25 25 Segundo Neville (1997) um agregado inadequado quanto a sua forma pode influenciar a trabalhabilidade da mistura e o acabamento superficial dos elementos do concreto e demonstra que, embora agregados com formas angulares possam produzir concretos com resistências mecânicas superiores, efeitos opostos podem surgir na demanda de água e trabalhabilidade se a angulosidade for muito acentuada. Gomes et al. (1995) sugerem uma relação inversa entre a resistência à compressão do concreto e a abrasão Los Angeles do agregado graúdo. Segundo autores, quanto menor for o percentual de abrasão obtido no ensaio, maior será a resistência alcançada pelo concreto. Tal fato evidencia a influência do agregado graúdo na resistência do concreto. Gomes et al. (1995) recomendam uma análise petrográfica do agregado graúdo para identificação dos tipos de minerais, seus estados de alteração, suas granulações e suas quantidades. Isto permite a identificação de minerais que posam vir a comprometer a durabilidade do concreto. Estudos realizados por Almeida (1994), utilizando agregados de granito, calcáreo e seixos rolados, indicam um aumento de 5% a 10% na resistência à compressão de concretos em virtude da lavagem dos agregados antes da confecção do concreto conforme mostra a figura 5.1.

26 26 Figura Influência da lavagem dos agregados na resistência à compressão do concreto (Almeida, 1994) Aditivos químicos A NBR (EB-1763/1992) define os aditivos como sendo produtos que adicionados ao concreto de cimento Portland em pequenas quantidades modificam algumas de suas propriedades, no sentido de melhor adequá-las a determinadas condições. De acordo com Neville (1997), o motivo do grande uso de aditivos químicos é a capacidade de proporcionar ao concreto consideráveis melhorias em suas propriedades. Essas melhorias incluem o uso do concreto em condições nas quais seria difícil ou até mesmo impossível utilizá-lo sem aditivos. O Comitê ACI 212 (1991) apud Cordeiro (2001) lista algumas finalidades importantes para as quais os aditivos químicos são empregados: Aumentar a plasticidade do concreto mantendo constante o teor de água; Reduzir a exsudação e a segregação; Retardar ou acelerar o tempo de pega do concreto; Acelerar a velocidade de desenvolvimento da resistência mecânica das primeiras

27 27 idades. Retardar a taxa de evolução de calor durante a hidratação do cimento; Aumentar a resistência a ciclos de congelamento e descongelamento; Aumentar a durabilidade do concreto em condições extremas de exposição. Segundo Cordeiro (2001) os aditivos são classificados em virtude das alterações que causam nas propriedades do concreto fresco e/ou endurecido. Segundo Mehta (1996) apud Cordeiro (2001), os aditivos variam amplamente quanto à composição química e muitos desempenham mais de uma função; conseqüentemente, é difícil classificá-los de acordo com as suas funções. A Tabela 3 apresenta a classificação de aditivos químicos empregada no Brasil, segundo a NBR (EB-1763/1992). Tipo P R PR SP SPR Tabela 5-5 Classificação dos aditivos químicos segundo a NBR (EB-1763/1992) Classificação Tipo Classificação Plastificante A Acelerador Retardador PA Plastificante acelerador Plastificante retardador IAR Incorporador de ar Superplastificante SPA Superplastificante acelerador Superplastificante retardador Segundo Cordeiro (2001), uma vez que a redução da relação água/aglomerante é primordial para obtenção do concreto de alto desempenho a utilização de aditivos redutores de água faz-se imprescindível. O uso de aditivos superplastificantes é preponderante, uma vez que aumenta a fluidez do concreto a níveis muito elevados, sem alterar outras características, permitindo produzir, através da redução da relação água/aglomerante, concretos com alta resistência e maior durabilidade Aditivos superplastificantes

28 28 Os superplastificantes, também chamados de redutores de água de alta eficiência ou superfluidificantes, consistem de tensoativos aniônicos de cadeia longa e massa molecular elevada (20000 a 30000). Quando absorvido pelas partículas de cimento, o tensoativo confere uma forte carga negativa, a qual auxilia a reduzir consideravelmente a tensão superficial da água circundante e aumentar acentuadamente a fluidez do sistema. (Mehta e Monteiro, 1994) Os superplastificantes podem ser agrupados em quatro grandes categorias, de acordo com sua composição química (Aiticin et al, 1994 apud Cordeiro, 2001): Condensados sulfonados de melamina-formaldeído; Condensados sulfonados de formaldeído-naftaleno; Condensados de lignossulfonatos modificados; Outros, como ésteres de ácido sulfônico e ésteres de carboidratos. Atualmente as duas primeiras categorias mencionadas são mais largamente utilizadas, pois apresentam maior eficiência como redutores de água e menor incidência de efeitos secundários. O principal efeito das cadeias longas do superplastificante, segundo Neville (1997), é o de ficarem absorvidas nas partículas de cimento, conferindo-lhes uma carga altamente negativa de modo que elas passam a se repetir. Isso provoca defloculação e dispersão das partículas de cimento. A melhoria resultante da ação do superplastificante pode ser aproveitada de dois modos distintos. Permite para a mesma relação água/aglomerante e o mesmo teor de água na mistura um aumento considerável da trabalhabilidade do concreto, mantendo a mistura coesiva. Outra forma seria para obter concretos com trabalhabilidade normal, mas com uma resistência extremamente alta, devido a uma substancial redução da relação água/aglomerante. A defloculação se deve à redução das forças de atração entre partículas com cargas opostas. Já a dispersão ocorre pela introdução da força repulsiva entre partículas,

29 29 devido à alta carga negativa conferida às partículas de cimento pela absorção do aditivo. Quanto maior a absorção melhor será a dispersão das partículas de cimento e mais homogenia será a microestrutura da pasta. A reologia do concreto de alto desempenho pode ser afetada por parâmetros relativos ao cimento, ao superplastificante e a interação entre eles, dentre os quais os mais significativos são (Aiticin et al, 1994 apud Cordeiro, 2001): Composição química do cimento, especialmente a quantidade de C3A e álcalis; Finura do cimento Portland; Quantidade e tipo de sulfato de cálcio no cimento; Natureza química e massa molecular do superplastificante; Grau de sulfonatação do superplastificante; Dosagem e método de adição à mistura do superplastificante. Os aditivos superplastificantes interagem com o C3A, que é o primeiro componente do cimento a hidratar-se, e sua reação é controlada pelo sulfato de cálcio, produto adicionado ao clínquer para controlar o tempo de pega do cimento. Uma certa quantidade é necessária durante a mistura para obter a trabalhabilidade desejada, no entanto, é imprescindível que o superplastificante não seja totalmente fixado pelo C3A. Se a fixação ocorrer é porque íons sulfatos não foram liberados a tempo de reagirem com o C3A. Quando os íons sulfatos são liberados vagarosamente, o cimento e o aditivo superplastificante são ditos incompatíveis. (Aiticin et al, 1994 apud Cordeiro, 2001) O problema da incompatibilidade entre cimento e superplastificante pode também existir no concreto convencional, mas é muito mais acentuado no concreto de alto desempenho. Isto é devido a menor quantidade de água disponível para receber os íons sulfatos no concreto de alto desempenho e a alta dosagem de cimento, proporcionando mais C3A à mistura. (Aiticin et al, 1994 apud Cordeiro, 2001) A quantidade de superplastificante necessária para obtenção de uma pasta com

30 30 fluidez definida aumenta com a área específica do cimento Portland. Quanto mais fino o cimento, mais superplastificante é requerido para obter a trabalhabilidade (Cordeiro, 2001). As moléculas do superplastificantes podem ser absorvidas no C3S. Com um aumento na dosagem do superplastificante, o desenvolvimento do calor de hidratação é retardado. Este fenômeno de absorção foi demonstrado pela observação direta de um superplastificante marcado com enxofre através de estudos. Um estudo realizado por Chan et. al. (1996) apud Cordeiro (2001), mostra a variação no comportamento de quatro superplastificantes em concretos com abatimento entre 150 e 200 mm em função da redução da relação água/cimento. Geralmente, a consistência do concreto diminui com o aumento da dosagem de superplastificante até um valor, além do qual, passa a ser pequeno o efeito. Estudos revelam que o uso de superplastificantes em pastas de cimento sujeitas a diferentes métodos de cura leva a um decréscimo do volume total de poros e ao refinamento da estrutura de poros das pastas hidratadas. O refinamento dos poros, além da redução de seu volume, diminui a permeabilidade e aumenta a resistência, permitindo a obtenção de concretos muito mais duráveis. Vale ressaltar, que o processo denominado refinamento dos poros é a transformação de um sistema contendo grandes vazios capilares em um sistema composto de numerosos poros mais finos. (Neville, 1997) O comportamento reológico em traços com baixa relação água/aglomerante não é definido pelas especificações do superplastificante e do tipo de cimento Portland. Faz-se, portanto, necessário experimentá-los e verificar como se comportam frente aos complexos fenômenos químicos envolvidos. Vários métodos são empregados para avaliar a compatibilidade aditivo-cimento e a dosagem ótima de superplastificante. Dentre os mais utilizados estão: método de Kantro ou miniabatimento e método do cone de Marsh. (Neville, 1997)

31 Água Segundo Cordeiro (2001), a água introduzida no concreto como um de seus componentes tem duas funções. Uma parte, denominada água de amassamento, contribui para garantir uma trabalhabilidade adequada. A outra permite o desenvolvimento das reações químicas no concreto, tanto de hidratação do cimento Portland, quanto reações pozolânicas com os aditivos minerais e/ou constituintes do cimento empregado. Segundo o ACI 363 (1991) apud Cordeiro (2001), os mesmos requisitos de qualidade exigidos para água de concretos convencionais devem ser cumpridos no concreto de alto desempenho. De acordo com Neville (1997), águas potáveis, ligeiramente ácidas, não são prejudiciais ao concreto. 5.3 Materiais cimentícios suplementares O concreto de alto desempenho pode ser feito usando-se apenas o cimento Portland como material cimentício. Entretanto, uma substituição parcial do cimento Portland por um ou uma combinação de dois ou três materiais cimentícios, quando disponíveis a preços competitivos, pode ser vantajosa, não apenas do ponto de vista econômico, mas também do ponto de vista reológico, e, algumas vezes, do ponto de vista da resistência (Aiticin, 2000). O uso de materiais cimentícios suplementares, quando disponíveis a preços competitivos, é benefício para a produção do concreto de alto desempenho, pois pode trazer diminuição de custo. A sua dosagem no traço final depende da resistência inicial desejada para o concreto de alto desempenho, levando em conta a temperatura ambiente (Aiticin, 2000). O uso de uma combinação de dois materiais cimentícios, escória e sílica ativa, ou

32 32 cinza volante e sílica ativa é benefício, pois a reatividade da sílica ativa pode compensar a reatividade mais lenta da escória ou da cinza volante. Dos três materiais a seguir, as cinzas volantes são as mais variáveis e menos reativas. Isso não significa que elas não sejam usadas para fazer o concreto de alto desempenho, mas que elas deveriam ser usadas com cuidado e não com base em qualquer generalização (Aiticin, 2000) Sílica ativa A sílica ativa é um subproduto da fabricação do silício metálico, das ligas de ferrosilício e de outras ligas de silício. O silício e as sua ligas são produzidos em fornos de arco elétrico imerso onde o quartzo é reduzido na prezença de carvão (e ferro durante a produção das ligas ferro-silício). Durante a redução da sílica, dentro do arco elétrico, um subóxido de silício, SiO, é produzido. Como esse gás escapa para a parte superioe da carga, ele se resfria, condensa e oxida na forma de partículas finíssimas de sílica. Essa partículas são coletadas por um sistema de eliminação de pó (Aiticin, 2000). A sílica ativa é disponível atualmente em quatro diferentes formas: em bruto, como produzida, em forma de nata de sílica ativa, em forma desnsificada e misturada como cimento Portland (Aiticin, 2000). Comparada com outros materiais cimentícios suplementares, as características peculiares que tornam a sílica ativa um material pozolânico muito reativo são o seu teor muito alto de SiO2, o seu estado amorfo e a sua extrema finura (Aïtcin, 2000). Os efeitos benéficos da sílica ativa na microestrutura e nas propriedades mecânicas do concreto são devidos não apenas à rápida reação pozolânica, mas também ao efeito físico das partículas da sílica ativa, o qual é conhecido como efeito fíler. Além disso, a sílica ativa tem um efeito químico relacionado com a germinação de cristais de portlandita, Ca(OH)2 (Aiticin, 2000). Devido à sua finura, as partículas de sílica ativa podem preencher os vazios entre as

33 33 partículas maiores do cimento, quando elas estão bem desfloculadas na presença de uma dosagem adequada de superplastificante. Diz-se que o efeito fíler é também responsável pelo aumento na fluidez dos concretos com uma relação água/aglomerante muito baixa. Por conseguinte, devido às suas características físicas únicas, a matriz sólida resultante que inclui sílica ativa é densa ainda antes que quaisquer ligações químicas entre as partículas do cimento tenham se desenvolvido (Aiticin, 2000). Devido ao tamanho extremamente reduzido de suas partículas, a adição de sílica ativa reduz drasticamente tanto a exsudação interna como superficial da mistura. Essa exsudação reduzida é muito importante do ponto de vista microestrutural, porque transforma radicalmente as características microestruturais da zona de transição entre a pasta de cimento e os agregados e entre a pasta de cimento e o aço da armadura. Essas zonas de transição são as mais compactas do que a relativamente porosa geralmente obtida quando o concreto não contém qualquer sílica ativa (Aiticin, 2000) Escória de alto-forno A escória ou a escória de alto-forno finamente granulada, é o subproduto da manufatura do ferro-gusa num alto-forno. Todas as impurezas contidas no minério de ferro e no coque passam para a escória de alto-forno. Como todas essas impurezas poderiam resultar numa mistura com um ponto de fusão muito alto, o que poderia ser antieconômico, agentes fundentes são adicionados à carga do alto-forno de modo que composição química resultante das impurezas fique dentro de uma região muito bem definida do diagrama de fases SiO2 CaO Al2O3, correspondendo a uma das duas áreas de temperaturas de fusão mais baixas dentro desse diagrama. Assim, do ponto de vista químico, a escória tem uma composição muito constante que os metalurgistas observam, pois qualquer desvio dela traduz-se em demandas significativas de energia e em custos adicionais (Aiticin, 2000). A escória fundida tem uma massa específica muito mais baixa, cerca 2,8 g/cm³, do

34 34 que o ferro-gusa, que está acima dos 7,0 g/cm³, e assim a escória derretida flutua no topo do ferro-gusa derretido e pode ser drenada separadamente (Aiticin, 2000). A escória pode ser resfriada de duas maneiras diferentes. Na primeira, ela pode ser deixada resfriar lentamente de tal maneira que ela se cristaliza principalmente na forma de melilita, uma solução sólida de ackermanita e gelenita. Quando resfriada dessa maneira, a escória de alto-forno é cristalizada e pode ser usada como agregado no concreto, no asfalto e como lastro de cobertura ou para construir estradas e embarcadouros, mas ela não tem praticamente valor hidráulico e não usada como material cimentício suplementar, mesmo que finamente moída (Aiticin, 2000). Contudo, se a escória é resfriada rapidamente quando sai do alto-forno, ela solidifica numa forma vítrea e pode então desenvolver propriedades cimentícias, se adequadamente moída e ativada. O resfriamento da escória pode ser realizado de três diferentes modos. A escória fundente pode ser (Aiticin, 2000): 1. Lançada em um grande recipiente de água onde ela se desintegra em pequenas partículas como uma areia grossa, também denominada escória granulada ; 2. Resfriada rapidamente por um forte jato de água assim que ela escorre do altoforno em calhas metálicas. Aqui, ela também é transformada numa areia, que também é chamada de escória granulada ; 3. Projetada através de ar por uma roda especial, de tal forma que o resfriamento rápido se dá pela combinação da ação da água e do ar. Neste caso, a escória resfriada tem a forma de pellets mais ou menos esféricas e porosas, é chamada de escória peletizada. Esse pelletes podem ser usados como agregado leve na fabricação de blocos de concreto ou podem ser moídos para fazer um pó cimentício. Assim, como um material cimentício suplementar, a escória possui algumas características úteis: ela tem uma composição química que não varia demais porque deve estar dentro de uma área bem definida de composição no diagrama de fases SiO2 CaO Al2O3. Podem existir algumas diferenças nos teores químicos do MgO

35 35 e do Al2O3 das escórias, dependendo do uso de olivina como um agente de fusão no lugar do calcário, mas isso não muda drasticamente as propriedades hidráulicas da escória quando usada como um material cimentício suplementar (Aiticin, 2000). A característica crítica que deve ser checada cuidadosamente quando se usa escória é sua vitrificação, pois as suas propriedades hidráulicas estão estreitamente ligadas a essa característica. Se a temperatura da escória estiver um pouco baixa, significando que alguns cristais poderiam estar presentes na fase fundente, quando o resfriamento rápido, a escória pode tornar-se menos reativa do que outra mais quente que seria mais vitrificada. Escórias bem resfriadas podem ter uma cor amarela pálida, bege ou cinza, enquanto escórias frias têm uma cor mais escura variando do cinza escuro até o marrom escuro (Aiticin, 2000). Um modo fácil de verificar se a escória foi bem resfriada é obter difratogramas de raios X. Na ausência de quaisquer cristalóides, o diagrama apresenta uma crista centrada no pico principal da melilita (Aiticin, 2000). A escória pode ser misturada com o cimento depois da moagem do clínquer ou junto como o clínquer, ou então ser vendida separadamente aos produtores de concreto, como material cimentício suplementar. Materiais misturados são mais comuns na Europa, enquanto o uso de escória como um ingrediente à parte prevalece na América do Norte (Aiticin, 2000). A adição de escória em misturas de cimento Portland geralmente reduz a demanda de água e melhora a trabalhabilidade do concreto. Os grãos de escória apresentam superfície limpa e lisa, apesar da forma angulosa, com planos de deslizamento que favorecem a trabalhabilidade, auxiliada também pela menor velocidade de hidratação. A exsudação do concreto é reduzida com o emprego de escória com elevada finura. O calor de hidratação diminui com o aumento do teor de escória, sendo significativo o decréscimo para 70% da adição. Para outros teores de adição (85%), o calor aumenta com o aumento da relação água/aglomerante e com a finura da escória. O decréscimo da finura da escória retarda o pico da curva do calor de hidratação, diminuindo também o seu valor, entretanto, relatam que a finura da

36 36 escória parece não influenciar significativamente na elevação adiabática da temperatura do concreto Cinza volante Cinzas volantes são partículas pequenas coletadas pelos sistemas antipó das usinas de energia que queimam carvão. Cinzas volantes podem ter composição química e de fases diferentes, pois estão relacionadas exclusivamente com a quantidade de impurezas contidas na queima do carvão na usina de energia. O carvão da mesma jazida usado na mesma usina produzirá quase a mesma cinza volante. Todavia, a composição química das cinzas volantes de diferentes usinas pode variar (Aiticin, 2000). Do ponto de vista físico, as cinzas volantes podem também ser muito diferentes umas das outras. Elas podem aparecer como partículas esféricas simples, com uma distribuição granulométrica similar à do cimento Portland, ou podem conter algumas cenosferas, isto é, esferas ocas. Em alguns casos, elas podem também conter partículas angulosas (Aiticin, 2000). Do ponto de vista químico, as diferentes cinzas volantes disponíveis podem ser classificadas em grandes famílias; por exemplo, a ASTM reconhece dois tipos de cinzas volantes na sua Especificação C618-94a para Cinzas Volantes de Carvão e Pozolana Crua ou Calcinada para Uso como Adições Minerais em Concreto de Cimento Portland: Cinza Volante Classe F e Classe C. A cinza volante Classe F é usualmente produzida em usinas de energia queimando antracito ou carvão subbetuminoso extraído, por exemplo, da parte leste dos EUA. De outro lado, a cinza volante Classe C é produzida pela queima da lignita ou de carvão betuminoso, por exemplo, das regiões sul e oeste dos EUA. Essas cinzas volantes são caracterizadas por um teor elevado de cálcio (Aiticin, 2000). Na frança, as cinzas volantes são classificadas em três grupos: as sílico-aluminosas, que correspondem basicamente à classe F da ASTM, as sílico-cálcicas, que

37 37 correspondem basicamente à Classe C e as sulfo-cálcicas, que têm ao mesmo tempo um alto teor de cálcio e um alto teor de enxofre (Aiticin, 2000). A despeito dos méritos dessas diferentes classificações, não é sempre fácil classificar uma dada cinza volante numa particular categoria e predizer o seu comportamento pozolânico. Descobriu-se que a maioria das cinzas volantes são materiais pozolânicos, mas que algumas podem não ser, enquanto outras são autocimentícias (Aiticin, 2000). Em todo caso, para participar em qualquer reação pozolânica, uma determinada cinza volante deve conter uma quantidade significativa de material vítreo e a melhor maneira de verificar isso é fazer um difratograma de raios X (Aiticin, 2000). 5.4 Classes do concreto de alto desempenho A divisão dos concretos de alto desempenho em cinco classes não é tão arbitrária como parece à primeira vista, mas deriva de uma combinação da experiência com o atual estado da arte. Essa classificação pode converter-se em norma em futuro próximo, à medida que se desenvolve a nossa compreensão dos diferentes fenômenos envolvidos na produção do concreto de alto desempenho. A faixa de alta resistência tem sido dividida em cinco classes correspondendo a incrementos de 25 Mpa (Aiticin, 2000). Tabela 5-6 Classes diferentes de concreto de alto desempenho (Aiticin, 2000). Resistência à compressão (Mpa) Classe de concreto de alto desempenho I II III IV V A classe I representa um concreto de alto desempenho tendo a resistência à compressão entre 50 e 75 Mpa, a classe II entre 75 e 100 Mpa, a classe III entre 100 e 125 Mpa, a classe IV entre 125 e 150 Mpa e a classe V acima de 150 Mpa (Aiticin, 2000).

38 38 Para ser um pouco mais preciso, essas resistências à compressão correspondem a valores médios obtidos aos 28 dias, com corpos-de-prova cilíndricos de 100x200 mm, curados sob as condições de norma usadas para concretos usuais. Essas não são resistências especificadas ou de projeto, pois o desvio padrão da produção concreto tem que ser levado em consideração (Aiticin, 2000). 5.5 Métodos de dosagem do cad De acordo com Aiticin (2000), diversos métodos têm sido propostos para calcular as proporções de uma mistura de concreto de alto desempenho. Os três abordados são o proposto pela Comissão ACI 363 para concretos de alta resistência, o proposto por de Larrard em 1990 e o método simplificado apresentado por Mehta and Aїtcin (1990) Dosagem de concreto de alto desempenho A dosagem é a forma utilizada para se determinar as proporções dos materiais constituintes necessários para a produção de um concreto que atenda a determinadas propriedades pré-fixadas. Estas propriedades são, em geral, resistência mecânica, durabilidade e trabalhabilidade (Cordeiro, 2001). Segundo Helene e Terzian (1992) a dosagem pode ser entendida como o proporcionamento adequado dos materiais constituintes, como o atendimento das seguintes condições principais: Exigências de projeto; Condições de exposição e operação; Tipo de agregado disponível economicamente; Técnicas de execução; Custo. Para Mehta e Monteiro (1994) o proporcionamento de materiais é mais uma arte que uma ciência, tendo em vista a complexidade de fatores envolvidos, os quais exigem