UM ESTUDO SOBRE O CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA CIVIL RENILTON DO NASCIMENTO SILVA UM ESTUDO SOBRE O CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO Feira de Santana - BA 2010

2 ii RENILTON DO NASCIMENTO SILVA UM ESTUDO SOBRE O CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO Monografia apresentada como requisito para obtenção de graduação em Engenharia Civil do Departamento de Tecnologia da Universidade Estadual de Feira de Santana. Orientador: Profº Elvio Antonino Guimarães Feira de Santana - BA 2010

3 iii TERMO DE APROVAÇÃO Renilton do Nascimento Silva Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao corpo docente do curso de graduação em Engenharia Civil do Departamento de Tecnologia da Universidade Estadual de Feira de Santana, como parte dos requisitos necessários à obtenção de graduação em Engenharia Civil. Aprovada por: Prof. Msc. Elvio Antonino Guimarães Orientador Prof. Msc. Eduardo Antônio Lima Costa Banca Examinadora Prof. Msc. Antônio Freitas da Silva Filho Banca Examinadora

4 iv Sem trabalho e estudo não há salvação. Salve-se! (Autor Desconhecido)

5 v DEDICATÓRIA Dedico esse trabalho aos meus pais, Nilton e Regina, a minha avó materna, Dona Dejanira, aos meu irmãos, aos meus sobrinhos lindos, e a minha noiva Monalisa, todos fonte da minha inspiração.

6 vi AGRADECIMENTOS À Deus, por me conceber a vida, podendo assim lutar pelos meus objetivos. Aos meus queridos pais, que dão todo o amor, atenção e suporte aos meus estudos. A minha irmã Magali que sempre acredita no meu potencial, e sempre está do meu lado em minha defesa. A minha amorosa noiva Monalisa, por me dar forças nos momentos de dificuldades, e por todo seu amor que sustenta nossa relação. Amo-te! A minha grande avó materna Dona Dejanira, por estar sempre presente em minha vida, ajudando a me educar conjuntamente com meus pais. Ao meu eterno padrinho Sr. Maneca (In memorian) e minha adorável madrinha Dona Dulce, por me tratarem como filho, me dando todo o amor e carinho. Aos meus inseparáveis amigos Valbert e Vinícius Mansur, por estarem presentes da infância até hoje, concretizando um grande laço de companheirismo. Ao meu amigo Engº Rafael Freitas, que busca o melhor para minha vida pessoal e profissional, sempre acreditando no meu caráter. Um abração. A todos os amigos da CSO Engenharia, em especial o Engº Paulo Roberto que iniciou comigo a vida acadêmica. Ao meu Orientador Profº Elvio Antonino Guimarães, que me conduziu para a elaboração deste trabalho. A todos os policiais militares, onde trabalhamos juntos em defesa da sociedade baiana. Um abraço em especial ao meu cunhado Cap José Luís. Aos amigos da UEFS, onde encontrei grandes e boas amizades que pretendo sustentar até o resto de minha vida. Enfim, agradecer a todos que me apóiam e acreditam no meu sucesso.

7 vii RESUMO Nas últimas décadas, os grandes avanços na tecnologia do concreto, proporcionaram o surgimento do concreto de alto desempenho (CAD), cujas características principais, são a elevada resistência mecânica e excelente durabilidade, obtidas com utilização de baixas relações água/cimento. São essas características que o diferenciam do concreto convencional. O CAD é um material que vêm sendo bastante estudado e empregado em diversos países, como Estados Unidos, França, Emirados Árabes, Malásia, entre outros. Atribui-se o desenvolvimento desta tecnologia com a utilização de dois novos materiais na dosagem dos concretos: as adições minerais (sílica ativa) e os aditivos superplastificantes. Nesse sentido, esse trabalho visa contribuir na avaliação do comportamento do CAD produzido a partir dos materiais disponíveis em qualquer região. Partindo-se da hipótese que a quantidade de superplastificante adicionada à mistura pode alterar a resistência a compressão do CAD, foram produzidos concretos com três teores de superplastificantes. Os concretos foram produzidos com mesmo traço, porém com diferentes relações água/cimento. No geral, os resultados obtidos foram satisfatórios e dentro do esperado. Observou-se que aumento da resistência do CAD é em função da diminuição da relação a/c e do aumento dos teores de superplastificante. Palavras-chave: concreto de alto desempenho; CAD; superplastificante; resistência à compressão.

8 viii ABSTRACT In recent decades, great advances in concrete technology provided the advent of high performance concrete (HPC), whose main features are their high mechanical strength and excellent durability, obtained using low ratios of water/cement. It is these characteristics that differentiate it from conventional concrete. The HPC is a material that have been widely studied and employed in several countries like United States, France, UAE, Malaysia, among others. Attributed to the development of this technology with the use of two new materials in the dosage of concrete: the mineral additions (silica fume) and superplasticizer additives. Thus, this work aims to contribute in the performance evaluation of HPC produced from materials available in any region. Based on the hypothesis that the amount of superplasticizer added to the mix can alter the resistance to compression of HPC, were produced concrete with three levels of superplasticizers. The concrete was produced with the same trait, but with different ratios of water/cement. Overall, the results were satisfactory and as expected. It was observed that increased resistance of the HPC is a function of lowering the ratio a/c and increased levels of superplasticizer. Keywords: high performance concrete; HPC; superplasticizers; compressive strenght.

9 ix LISTA DE ABREVIATURAS a/c ABNT CAD CAE CP fck NBR SMF SNF Água/cimento Associação Brasileira de Normas Técnicas Concreto de Alto Desempenho Polímero acrílico à base de éter Corpo-de-prova Resistência característica do concreto Norma Brasileira Formaldeído e melamina sulfonada Formaldeído e naftaleno sulfonado

10 x LISTA DE TABELAS Tabela Classes diferentes de Concreto de Alto Desempenho Tabela Efeito do modo de adição dos superplastificantes SMF, SNF e CAE no slump de misturas de concreto de cimento Portland Tabela Resistência à compressão do concreto de alto desempenho em função da Relação água/cimento Tabela Exigências Físicas e Mecânicas Tabela 3.2 Exigências Químicas Tabela 3.3 Porcentagem retida na peneira de 75 m Tabela Limites da composição granulométrica do agregado graúdos Tabela 3.5 Tamanho das amostras e Diâmetro máximo do agregado graúdo Tabela 3.6 Limites da distribuição granulométrica do agregado miúdo Tabela 3.7 Tamanho das amostras e módulo de finura do agregado Tabela 3.8 Quantidades de materiais em massa Tabela 3.9 Proporção de materiais em massa por dosagem Tabela 4.1 Resistência aos 28 dias da dosagem 1 (teor de aditivo de 0,5%) Tabela Resistência aos 28 dias da dosagem 2 (teor de aditivo de 1,5%) Tabela Resistência aos 28 dias da dosagem 3 (teor de aditivo de 2,0%)... 50

11 xi LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 E-Tower, prédio da cidade de São Paulo construído com CAD Figura 2.2 Performance do CAD nos arranha-céus dos EUA Figura 2.3 Seção polida de um corpo-de-prova de concreto Figura 2.4 Microssílica vista por microscópio Figura 2.5 Representação esquemática de duas pastas frescas de cimento com relação a/c distintas Figura Interação dos fatores que influenciam a resistência do concreto Figura Balança GEHAKA nº 4881, com resolução de 0,01g Figura 3.2 Peneira LM 74 com fundo e tampa Figura 3.3 Limites de composição granulométrica 1 do agregado graúdo (9,5/25) Figura 3.4 Limites de composição granulométrica 2 do agregado graúdo (4,75/12,5) Figura 3.5 Curva granulométrica do Agregado Miúdo em relação aos limites inferior e superior da zona utilizável Figura 3.6 Corpos-de-prova capeados com enxofre Figura 3.7 Prensa hidráulica para o ensaio de compressão axial Figura 4.1 Gráfico de Resistência à compressão x Relação a/c Figura 4.2 Gráfico Teor de aditivo x Relação a/c

12 xii SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO JUSTIFICATIVA OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivo Específico METODOLOGIA ESTRUTURA DA MONOGRAFIA LIMITAÇÕES DA PESQUISA REVISÃO BIBLIOGRÁFICA HISTÓRICO DO CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO CONCEITO ESTRUTURA DO CONCRETO Agregado Pasta de Cimento Zona de Transição MATERIAIS CONSTITUINTES DO CAD Cimento Agregados Agregado Graúdo Agregado Miúdo Aditivos Aditivos Redutores de Água Superplastificante Adições Minerais Sílica Ativa RELAÇÃO ÁGUA/CIMENTO DOSAGEM DO CAD COMPATIBILIDADE ENTRE CIMENTO PORTLAND E SUPERPLASTIFICANTE PROPRIEDADES MECÂNICAS DO CAD... 28

13 xiii Concreto Fresco Concreto Endurecido Resistência à Compressão Fatores que Afetam Durabilidade Módulo de Deformação PROGRAMA EXPERIMENTAL SELEÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAS Cimento Agregados Graúdos Agregados Miúdos Aditivo Superplastificante PROPORCIONAMENTO DOS MATERIAIS PRODUÇÃO E PREPARO DOS CORPOS-DE-PROVA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO SIMPLES APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS CONSIDERAÇÕES FINAIS CONCLUSÕES SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS... 55

14 1 1 INTRODUÇÃO Este trabalho apresenta em essência um estudo sobre a influência dos diferentes teores de superplastificante na propriedade de resistência à compressão do concreto de alto desempenho (CAD). Seu uso está bastante difundido, haja vista o grande interesse de se obter um concreto com excelentes características, tais como: elevada resistência, boa trabalhabilidade e grande durabilidade. O concreto de alto desempenho é possível graças ao desenvolvimento de materiais cimentícios, adições suplementares e superplastificantes de alta eficiência, adicionados à sua mistura. O trabalho enfoca o uso de dois materiais usados na dosagem do CAD, são eles: superplastificante (aditivo) e sílica ativa (adição mineral). A tecnologia do concreto de alto desempenho tem evoluído intensamente nas últimas décadas, principalmente no que diz respeito às formas de obtenção desse material. Grandes vantagens econômicas e estruturais são obtidas com a utilização desse concreto, tais como: redução das seções dos elementos de concreto (pilares), baixa porosidade, baixa permeabilidade, elevada resistência ao desgaste e menor tempo e custo de manutenção. Segundo Price (2003), o CAD pode ser manipulado por diversas técnicas construtivas, porém, deve ser dada atenção especial a fim de evitar atrasos no seu lançamento, secagem e cura. O CAD também é caracterizado por ter um alto módulo de deformação e resistência à tração, bem como menor retração durante a secagem. As principais aplicações do CAD têm sido nos pilares de grandes edifícios, estruturas marítimas e de grandes pontes. Em contrapartida, o CAD ainda representa um pequeno volume no mercado de concreto, os produtores de cimento não estão interessados em investir demais na modificação dos seus processos de produção. Além disso, em um dado lugar, a seleção de materiais no CAD será sempre limitada por considerações econômicas porque, com a

15 2 finalidade de permanecer tecnicamente competitivo com o concreto usual, os custos de produção do CAD terão que ser tão baixos quanto possível (AÏTCIN, 2000). 1.1 JUSTIFICATIVA As propriedades do concreto, tanto no estado fresco como no estado endurecido, podem ser modificadas pela adição de certos materiais na dosagem, isso traz como conseqüência o enorme crescimento da indústria de aditivos e adições minerais nos últimos 40 anos. Em alguns países não é incomum o fato de que 70 a 80% de todo o concreto produzido contenha um ou mais aditivos; assim é absolutamente importante que os engenheiros civis estejam familiarizados acerca dos aditivos e adições comumente empregados, juntamente com suas aplicações e limitações. Em se tratando das propriedades do concreto, a resistência é umas das mais importantes. A escolha de se abordar a resistência à compressão do concreto de alto desempenho se dá ao fato de que é a propriedade imposta pelas normas técnicas. É geralmente especificada em projetos. O concreto em estudo será o concreto de alto desempenho, pois o mesmo se engloba nas características acima comentadas, ou seja, uso de aditivos e adições na dosagem para se conseguir melhoria de algumas propriedades, em especial a resistência. Os aditivos que serão discutidos serão os superplastificantes, enquanto que as adições minerais serão as sílicas ativas. Dessa forma, este trabalho se embasa em apresentar dados que verifiquem a eficiência do superplastificante juntamente com a sílica ativa na dosagem do concreto de alto desempenho. O concreto de alto desempenho está evoluindo muito rapidamente, pois os engenheiros civis sempre vêm buscando um concreto com propriedades melhoradas (resistência, durabilidade, etc.), justificando assim o estudo mais aprofundado sobre essa nova tecnologia do concreto.

16 3 1.2 OBJETIVOS Objetivo Geral Realizar um estudo sobre a propriedade de resistência à compressão do concreto de alto desempenho Objetivo Específico Estudar os efeitos dos teores de superplastificante na propriedade de resistência do concreto de alto desempenho. 1.3 METODOLOGIA Será apresentada uma revisão bibliográfica acerca do tema do trabalho, buscando abordar de forma clara e objetiva os capítulos do trabalho. Serão realizados ensaios de laboratórios de compressão de corpos-de-prova (CP) cilíndricos de concreto, regidos pela norma NBR 5739/2007 da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), além de ser apresentada a caracterização dos materiais componentes do concreto. Os resultados obtidos serão apresentados em tabelas mostrando a resistência obtida para idade de 28 dias.

17 4 O fechamento do trabalho se dá através de uma conclusão, comentando os resultados obtidos assim como discutindo toda a literatura apresentada na revisão bibliográfica. 1.4 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA Este trabalho está dividido em 5 capítulos. No capítulo 1 é feita uma introdução à monografia, destacando-se sua justificativa, seus objetivos, estrutura e limitações. No capítulo 2 é apresentada a revisão bibliográfica sobre concreto de alto desempenho, iniciando-se com histórico e definições, seguindo com a estrutura do concreto e seus materiais constituintes, assim como sua dosagem. Neste capítulo, também é feita a revisão bibliográfica das principais propriedades do concreto endurecido, com ênfase na resistência à compressão axial. No capítulo 3 é apresentado o programa experimental da monografia, com a descrição do planejamento e da metodologia empregada para a execução dos ensaios, iniciando com a seleção e caracterização dos materiais empregados, seguida do método de dosagem utilizado e ensaio de resistência a compressão. No capítulo 4 são analisados e comentados os resultados do ensaios, utilizando a revisão bibliográfica para verificar a confiabilidade dos resultados. No capítulo 5 apresentam-se as considerações finais e conclusões baseadas nesta monografia, assim como sugestões para futuras pesquisas. 1.5 LIMITAÇÕES DA PESQUISA

18 5 A pesquisa experimental que tem por objetivo estudar o comportamento do concreto está sujeita a sofrer algum tipo de limitação. Primeiro, porque hoje em dia são escassos os recursos financeiros e humanos destinados à pesquisa. Segundo porque são inúmeros os fatores que influenciam as propriedades desse material, tais como: relação água/cimento; consumo e tipo de cimento; traço; tipo e quantidade de adições minerais e aditivos; granulometria e dimensão máxima característica do agregado graúdo e do agregado miúdo; grau de hidratação do cimento; moldagem; tipo de cura, entre outros. A variável dependente nesse trabalho foi a propriedade de resistência à compressão. Os fatores controláveis considerados mais importantes em função da variável dependente, e dentro das limitações de um trabalho final de curso foram a proporção de superplastificante e a relação a/c. Essa escolha foi feita em virtude desses fatores exercerem influência significativa no aumento da resistência à compressão. A escolha do ensaio de resistência à compressão foi determinada pela sua importância e relevância, e pela limitação do trabalho em função de disponibilidade de tempo e do uso do laboratório.

19 6 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 HISTÓRICO DO CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO O concreto de alto desempenho, inicialmente, surgiu em meados dos anos 60, na cidade de Chicago nos Estados Unidos (EUA). Desde aquela época, até alguns anos atrás, o CAD era chamado de concreto de alta resistência, pois sua produção só visava aumentar a resistência à compreensão. No entanto, essa denominação deixou de ser usada, pois o CAD além de aumentar a resistência do concreto, contribui com outras propriedades que são agregadas a ele, tais como: durabilidade, baixa porosidade, etc. Na cidade de Chicago, um grupo de projetistas e produtores de concreto propôs lançar o concreto de alta resistência. Naquela época o concreto comumente usado pela indústria da construção tinha uma resistência à compressão de apenas 15,0MPa a 30,0MPa. Nesse período os produtores de concreto contavam apenas com aditivos redutores de água baseados em lignossulfonatos (que variavam em composição e pureza) e de adições tipo cinza volante, os quais eram utilizados na dosagem do CAD. Apesar desses inconvenientes de não dispor de materiais inovadores para a dosagem do CAD, esses tinham ganhos de resistência que variavam de 10,0MPa a 15,0MPa (AÏTCIN, 2000). Nos últimos 20 anos, estudos intensivos sobre CAD têm sido realizados em diversos países, com o intuito de fornecer aos engenheiros as informações necessárias sobre suas propriedades, bem como dar subsídios para adaptação das normas de concreto às características diferenciadas desse novo material (MENDES, 2002). Aos poucos o CAD vem se tornando uma linha de pesquisa vasta na área de materiais, atualmente a bibliografia sobre o tema é bastante ampla. Vários congressos, seminários, encontros têm sido promovidos em vários países para divulgação e discussão de trabalhos de diversos pesquisadores sobre o CAD.

20 7 No Brasil um dos principais prédios construídos com o CAD é o E-Tower, com fck de projeto de 80,0MPa, sendo que alguns pilares atingiu-se 125,0MPA. Fica localizado na cidade de São Paulo (Figura 2.1). Figura 2.1 E-Tower, prédio da cidade de São Paulo construído com CAD. Fonte: Acesso em 20/08/2009. Na Bahia uma das principais aplicações do CAD, foi a construção do edifício Suarez Trade Center, localizado na cidade de Salvador, onde os pilares centrais atingiram 60 MPa de resistência. Atrelado ao aumento da resistência, o CAD incorporou vantagens no seu uso, reduzindo os custos em termos de diminuição das peças concretadas e conseqüentemente o ganho de espaço nas edificações. Na mesma cidade de Chicago, a resistência à compressão do concreto usado em edifícios, cresceu progressivamente durante um período de 10 anos, passando de 15,0MPa a 30,0MPa para 45,0MPa a 60,0MPa (AÏTCIN, 2000). A Figura 2.2 mostra a altura de edifícios nos EUA construídos com CAD.

21 8 Figura 2.2 Performance do CAD nos arranha-céus dos EUA. Fonte: Aïtcin (2000) 2.2 CONCEITO O CAD é o tipo de concreto que têm resistência à compressão maior que 40,0MPa (embora ainda não exista um consenso na literatura técnica). Na dosagem do CAD, procura-se atingir uma baixa relação água/cimento, o que irá resultar na sua alta resistência característica. Na obtenção de concretos de alto desempenho, sempre são utilizados aditivos e adições. Algumas características são alcançadas pelo CAD, tais como: alta resistência à compressão, baixa permeabilidade, menor consumo de água, menor consumo de cimento, menor consumo de agregados, entre outras. É quase impossível, na prática, conseguir CAD sem a utilização das adições minerais, especialmente nas faixas de resistência acima de 40,0MPa. Essa discussão liga-se às peculiaridades do concreto. O CAD em geral tem como característica essencial a baixa relação água cimento, entre 0,25, e no máximo em torno de 0,40, o que exige a utilização de aditivos superplastificantes, para propiciar aumento da resistência e trabalhabilidade ao concreto (MEHTA, 1994).

22 9 Os concretos de alto desempenho contêm os seguintes materiais: agregados comuns, cimento Portland comum, adição mineral (sílica ativa, fumo de sílica, cinza volante, escória granulada de alto forno), geralmente entre 5% a 15% da massa de cimento, e sempre um superplastificante. O teor de superplastificante é alto, 5 L a 15 L por m³ de concreto. Segundo Neville (1997), esse teor de aditivo permite a redução do teor de água de 45 L/m³ a 75 L/m³ de concreto. O autor considera concretos de alto desempenho aqueles cuja relação água/cimento seja inferior a 0,35. O emprego de aditivos como superplastificantes, combina-se às vantagens da sílica ativa para propiciar concretos cujas características vão além da elevada resistência; na verdade, o CAD pode agregar durabilidade, esbeltez e menor custo às obras, que são motivos suficientes para que se descubram as vantagens técnicas do material, contribuindo na economia e racionalidade das obras. As vantagens do CAD com relação ao concreto convencional são evidentes. As estruturas de concreto produzidas com concreto convencional têm área em torno de duas vezes maior que a das estruturas, executadas com CAD. Ou seja, a opção gera ganhos econômicos significativos. Aïtcin (2000) classifica os concretos de alto desempenho pelos seus devidos valores conforme Tabela 2.1: Tabela Classes diferentes de Concreto de Alto Desempenho. Fonte: Aïtcin (2000) Classe do Concreto Resistência à Compressão (MPa) Classe I MPa Classe II MPa Classe III MPa Classe IV MPa Classe V Maior que 150 MPa

23 ESTRUTURA DO CONCRETO O concreto é um compósito que consiste essencialmente de um meio aglomerante, dentro do qual estão mergulhadas partículas ou fragmentos de agregados. O meio aglomerante é formado por uma mistura de cimento e água. Após o endurecimento do concreto sua estrutura fica dividida em três fases: agregado, pasta de cimento e zona de transição. Barata (1998) afirma que o CAD se diferencia do concreto convencional pela microestrutura densa, homogênea e pouco cristalina. Na Figura 2.3, observa-se que apenas duas fases do concreto são facilmente distinguidas, os agregados de tamanho e forma variados, e o meio ligante, composto de uma massa contínua da pasta endurecida. Mehta (1994) comenta que a nível macroscópico, o concreto pode ser considerado como um material bifásico, consistindo de partículas de agregado dispersas em uma matriz de cimento. Figura 2.3 Seção polida de um corpo-de-prova de concreto. Fonte: Mehta (1994)

24 Agregado A fase agregado é predominantemente responsável pela massa unitária, módulo de deformação (que afeta a retração), resistência à abrasão, durabilidade e estabilidade dimensional do concreto endurecido. O agregado não tem influência direta sobre a resistência do concreto (concretos usuais), tem apenas papel secundário, em alguns casos onde se tem agregados porosos e fracos, a sua porosidade e composição mineralógica afetam na resistência à compressão, dureza, módulo de deformação, que por sua vez influenciam várias propriedades do concreto endurecido contendo o agregado (MEHTA, 1994). Comparando concretos preparados com agregados diferentes, pode-se observar através dos ensaios que a influência sobre a resistência do concreto é qualitativamente igual, quaisquer que sejam as proporções da mistura. É possível que a influência do agregado na resistência do concreto seja devida não somente a resistência mecânica do agregado, mas também, e muito significativamente, à sua absorção e a características da aderência. Quando a zona de transição entre a pasta e o agregado é melhorada, a transferência de tensões se torna mais eficaz. No entanto, as propriedades mecânicas dos agregados tornam-no mais frágil, limitando a resistência do concreto. Durante o processo de britagem, os agregados são microfissurados. O número de microfissuras será maior nas partículas maiores, conseqüentemente, na prática, é comum usar partículas menores (10 a 14 mm de diâmetro nominal) para o CAD, pois possuem menores fissuras internas, dando maior resistência ao concreto (PRICE, 2003).

25 Pasta de cimento Esta fase é o resultado da reação química dos minerais do cimento com a água. Sua importância na dosagem do concreto é, principalmente, agir como substância aglomerante. A pasta de cimento tem influência nas propriedades do concreto, como, resistência, estabilidade dimensional e durabilidade, onde são influenciadas não somente pela proporção da pasta, mas também dos aspectos microestruturais (tipo, quantidade e distribuição de sólidos e vazios) (MEHTA, 1994). Segundo Price (2003), a resistência da pasta de cimento é em função da relação a/c, sendo também limitada pela porosidade. A fim de melhorar a resistência da pasta, os poros devem ser minimizados Zona de transição Localiza-se no contato das partículas de agregado graúdo com a pasta de cimento. Apesar de ser constituída dos mesmos elementos da matriz da pasta de cimento, possui estrutura e propriedades diferentes, sendo mais frágil, pois é nessa fase em que ocorre a ruptura do concreto (MEHTA, 1994). Esta fase é caracterizada por uma alta porosidade. Quando se analisa as fraturas do concreto, observa-se que a falha ocorre na própria pasta ou, mais freqüentemente, na interface entre a pasta e o agregado. Se a zona de transição é fraca, a resistência do concreto será baixa (PRICE, 2003).

26 MATERIAIS CONSTITUINTES DO CAD Aïtcin (2000) afirma que a seleção dos materiais é um problema porque os cimentos e os agregados disponíveis apresentam grande variedade de composição e propriedades, e não existe uma sistemática clara que permita escolher facilmente os materiais constituintes, além da diversidade de aditivos químicos e adições minerais disponíveis no mercado Cimento Segundo Aïtcin (2000), a composição do cimento é oriunda da queima de uma mistura bem proporcionada de matérias-primas contendo os quatro óxidos principais CaO, SiO 2, Al 2 O 3 e Fe 2 O 3 que produz o clínquer, um dos principais ingredientes básicos exigidos para fabricar o cimento Portland. Para o autor, a primeira escolha a ser feita quando se vai produzir um concreto de alto desempenho é, definitivamente, a do cimento, ainda quando um ou dois materiais cimentícios suplementares venham a ser usados, porque o desempenho do cimento em termos de reologia e de resistência tornase um item crítico à medida que a resistência à compressão almejada aumenta. A escolha do cimento mais adequado para produção de CAD é extremamente importante, uma vez que este material influência tanto a resistência da pasta quanto a aderência pasta-agregado. No entanto, para a seleção final do cimento mais adequado, além se suas propriedades mecânicas, outra três características devem ser levadas em consideração: sua finura, sua composição química e sua compatibilidade com os aditivos. Em termos de finura, quanto maior for a superfície específica, em contato com a água, mais rapidamente ocorrerá a hidratação do cimento, aumentando-se sua resistência à compressão, principalmente nas primeiras idades. Por outro lado, quanto mais fino o cimento, maior a dosagem de superplastificante necessária para alcançar a mesma

27 14 trabalhabilidade, uma vez que o desempenho do aditivo é influenciado diretamente pela finura do cimento (AÏTCIN, 2000). Em relação à composição química, Mendes (2002) apud Aitcin e Mehta (1990), recomendam, preferencialmente, o cimento Portland comum e aqueles com maior teor de C 3 S e C 2 S, compostos que contribuem para a resistência do concreto. No entanto, Barata apud Mehta (1996) acrescenta que elevados teores desses compostos podem incompatibilizar o uso do cimento com determinado superplastificante Agregados Diferentemente dos concretos convencionais, a seleção de agregados particularmente resistentes é necessário. A seleção do agregado graúdo é importantíssima para a produção do concreto de alto desempenho. Segundo Price (2003), a seleção dos agregados é muito mais crítica para o CAD do que para os concretos convencionais. Geralmente, verifica-se apenas se as exigências de desempenho para as normas de agregado estão sendo atendidas. No concreto de alto desempenho, a pasta de cimento e a zona de transição podem ser tão resistentes do que os agregados graúdos, caso estes não forem suficientemente resistentes, tornando-se o elo mais fraco dentro do concreto. Segundo Bauer (2000), nos concretos de alto desempenho (fck da ordem de 50,0 a 70,0 MPa), a resistência dos grãos do agregado pode ser insuficiente, rompendo-se o concreto por fratura dos grãos, mesmo com agregado graúdo provindo de granito. Nestes casos, é preciso dar atenção especial à escolha do agregado. A resistência, o tamanho e a forma dos agregados devem ser compatíveis com a matriz, sendo fundamental, no caso de CAD, que estes fatores sejam bem avaliados, evitandose os efeitos indesejáveis de problemas na zona de transição.

28 15 Segundo Neville (1997), as dimensões ideais dos agregados graúdos situam-se entre 10,0 mm e 19,0 mm. Quanto menor o agregado, 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. As areias quartzosas bem graduadas, por sua vez, são as mais recomendadas também para a produção do CAD. Os agregados usados para fazer um concreto de alto desempenho são areia natural e brita. Se o concreto de alto desempenho é feito com brita, o seu processamento leva as partículas individuais contendo a concentração mínima possível dos elementos fracos (AÏTCIN, 2000) Agregado graúdo A forma dos agregados graúdos deve ser equidimensional (não alongadas) e, a classificação deve ser uniforme, não havendo muita separação em frações finas e grossas. A máxima dimensão do agregado graúdo variando de 10 a 14 mm é geralmente selecionada, embora agregados até 20 mm podem ser utilizados se forem resistentes e desprovidos de muitas fraturas (PRICE apud AÏTCIN e MEHTA, 1990). Aïtcin (2000) recomenda que a seleção do agregado graúdo seja feita após um exame cuidadoso da mineralogia e da petrografia, para assegurar que as partículas são resistentes o suficiente para evitar a ruptura precoce no CAD. Para os agregados graúdos, é imprescindível a observação de alguns fatores que são extremamente relevantes na escolha, pois suas propriedades mecânicas influenciam diretamente as propriedades do CAD. Petrucci (1980) chama a atenção para a absorção do agregado graúdo, pois está diretamente relacionada com a sua porosidade. Neville (1997) acrescenta que a porosidade e a permeabilidade do agregado exercem influência na resistência e na durabilidade do concreto..

29 16 No entanto, para Guimarães (2002), é sempre cabível a consideração de que, para qualquer que seja o agregado graúdo, existirá um valor crítico da relação água/ aglomerante, abaixo do qual, qualquer redução adicional deste fator não resultará em aumento significativo da resistência à compressão. A partir deste ponto, o agregado graúdo passa a constituir o elo mais vulnerável do concreto Agregado miúdo Os agregados miúdos para o CAD devem ser selecionados, no intuito de reduzir a demanda de água. A granulometria ótima do agregado miúdo está mais associada a quantidade de água que absorverá na mistura do que suas próprias características físicas. Sempre que possível as partículas de agregado devem ser arredondadas. O material pulverulento contendo siltes e argilas deve ser mantido tão baixo quanto possível. Aceita-se na prática utilizar um agregado miúdo com alta dimensão característica, o que seria normal para o concreto estrutural convencional (PRICE apud AÏTCIN, 1998). Para Aïtcin (2000), sempre que possível, o agregado miúdo selecionado deverá ter um módulo de finura de 2,7 a 3,0. Devido a uma razoável quantidade de material fino na mistura não há necessidade da areia ser tão fina do ponto de vista de segregação e trabalhabilidade. Então o uso de areias mais grossas leva a um pequeno decréscimo na quantidade de água na mistura, o que é vantajoso tanto do ponto de vista da resistência, como do ponto de vista econômico Aditivos São produtos químicos adicionados na dosagem do concreto, com o objetivo de melhorar determinadas características físicas e econômicas do concreto. São adicionados a mistura do concreto em teores não maiores que 5,0% em relação à massa

30 17 do cimento. Apesar de serem onerosos, os aditivos podem trazer economia nas dosagens de concreto, seja na redução do teor de cimento, na melhoria da durabilidade, ou na redução das peças de concreto, etc. Segundo Neville (1997), atualmente em muitos países um concreto sem aditivos é considerado uma exceção, sendo usado de forma crescente. Além de tornarem possível o uso de uma grande variedade de componentes na mistura. A compreensão de que as propriedades importantes do concreto, tanto no estado fresco quanto no endurecido, podem ser modificadas com vantagem pela aplicação de aditivos, deram tal impulso à indústria de aditivos que dentro dos 20 anos após o início do desenvolvimento da indústria nos anos 40, aproximadamente mais de 200 produtos diferentes foram comercializados em alguns países da Europa. Atualmente, a maior parte do concreto produzido em alguns países contém um ou mais aditivos (MEHTA, 1994). Neville (1997) ressalta que o uso dos aditivos não é a solução para a falta de qualidade dos outros ingredientes do concreto, para proporções não adequadas da mistura, ou para despreparo da mão-de-obra para transporte, lançamento e adensamento Aditivos redutores de água Tipo de aditivo, que tem a finalidade de reduzir a relação água/cimento, aumentando a resistência e trabalhabilidade do concreto. Devido a reações químicas, os redutores de água melhoram o processo de hidratação do cimento, fazendo com que o mesmo se distribua mais uniformemente no concreto, contribuindo com uma resistência maior. Segundo Neville (1997), esses aditivos reduzem o teor de água da mistura, geralmente entre 5,0% e 10,0%, às vezes até 15,0% em concretos com elevada trabalhabilidade.

31 Superplastificante Os superplastificantes são aditivos redutores de água especiais com efeitos mais intensos do que os comuns. Seu uso é considerado um dos mais importantes avanços na tecnologia do concreto, pois tem permitido, entre outros, a produção de concretos de alta resistência, duráveis e de concretos fluidos. Mehta (1994) define os superplastificantes como sendo aditivos redutores de água de alta eficiência por serem capazes de reduzir o teor de água de 3 a 4 vezes em um dado traço de concreto, quando comparados a aditivos redutores de água normais. Foram desenvolvidos nos anos 70 e têm já ampla aceitação na indústria da construção em concreto. Já Neville (1997) define superplastificantes como sendo polímeros orgânicos hidrossolúveis obtidos sinteticamente, usando um processo complexo de polimerização para obtenção de moléculas longas de elevada massa molecular. Mais eficazes que os redutores de água comuns, os superplastificantes podem reduzir o teor de água da mistura do concreto de 25,0% a 35,0%, bem como podem aumentar a resistência em poucas idades de 50,0% a 75,0%. Na mistura seu principal efeito é melhorar a distribuição das partículas de cimento, conseqüentemente melhora a hidratação, resultando no aumento da resistência do concreto para uma mesma relação água/cimento. Segundo Neville (1997), quando os superplastificantes são usados para reduzir o teor de água da mistura, a dosagem é de 5 a 20 l/m³ de concreto. O aumento da sistência é geralmente proporcional à diminuição na relação água/cimento. Com consumos de cimento maiores e relações água/cimento muito menores do que 0,45 é possível atingir taxas ainda maiores de desenvolvimento da resistência (MEHTA, 1994).

32 19 Segundo Collepardi et al. (1999) e Tobori (2005), os superplastificantes podem ser utilizados no concreto para três propósitos específicos e/ou combinações entre eles: aumentar a trabalhabilidade numa determinada mistura, a fim de melhorar algumas características do concreto; reduzir a quantidade de água, para um mesmo consumo de cimento e trabalhabilidade, a fim de reduzir a relação a/c, aumentando a resistência e melhorando a durabilidade; reduzir tanto a quantidade de água quanto de cimento, mantendo a mesma trabalhabilidade e resistência, a fim de evitar fissuras, retração e tensões térmicas causadas pelo calor de hidratação do cimento. Os tipos de superplastificantes mais comuns são: base de lignossulfonatos, base de malamina, base de naftaleno e base de policarboxilatos. Segundo Price (2003), todos têm sido utilizados com sucesso, individualmente ou em combinação. A dosagem dos superplastificantes pode ser muito elevada (até 3% da massa de cimento), a fim de alcançar a necessária funcionalidade. No mercado já existem os chamados superplastificantes de nova geração. São à base de policarboxilatos e éteres. Estes superplastificantes prolongam a trabalhabilidade do concreto, proporcionando o desuso de procedimentos antigos de avaliação de trabalhabilidade. Por exemplo, lançamento de apenas uma parte da dosagem, adições de superplastificantes comuns até obter a trabalhabilidade desejada. Dentre os superplastificantes, os lignosulfonatos são os mais conhecidos, produzindo concretos com resistência à compressão de cerca de 50,0 a 60,0MPa. Inicialmente, esse produto era quase sempre usado para fluidificar o concreto comum no canteiro de obras imediatamente antes do lançamento. Uma das principais vantagens desses produtos, além da sua eficiência em fluidificar traços de concreto, era que eles podiam ser usados em dosagens muito mais altas do que os redutores de água anteriores, porque são produtos que não contêm impurezas (AÏTCIN, 2000).

33 20 À medida que o uso dos superplastificantes foi se tornando mais comum, percebeu-se que estes poderiam ser utilizados para reduzir a quantidade de água da mistura para um nível jamais experimentado. Esses superplastificantes são tão eficazes que hoje em dia é possível fazer o concreto fluido, tendo a relação água/cimento menor do que 0,30. O mecanismo de ação dos superplastificantes para Bauer (2000) ocorre da seguinte maneira: o aditivo é absorvido pelas partículas de cimento, fazendo com que as mesmas se tornem negativamente carregadas e mutuamente repulsivas. Devido a este efeito, as partículas de cimento são mais bem dispersas e a mistura, consequentemente, torna-se mais fluida. A escolha de um superplastificante bom e eficiente é crítica quando se faz concreto de alto desempenho, pois nem todos os tipos e marcas desses aditivos reagem da mesma forma com um determinado cimento. Problemas de compatibilidade podem algumas vezes ser enfrentados quando se usa o cimento e um superplastificante que estão cada um isoladamente atendendo às suas respectivas normas de recebimento (AÏTCIN, 2000). Descreve ainda que a dosagem de superplastificante mais eficiente pode ser encontrada rapidamente usando-se tripla tentativa de teor de água : usam-se as relações a/c menor, maior e intermediária, compatíveis com as exigências de resistência para fazer três traços com igual quantidade de material cimentício, mas diferentes quantidades de água. Esses traços experimentais são ensaiados quanto à resistência e perda de abatimento. Neville (1997) ressalta que a concentração de sólidos nos superplastificantes comerciais varia, de modo que a comparação do desempenho deveria ser feita com base na quantidade de sólidos e não na da massa total. O momento de colocação e a maneira como o aditivo é adicionado à mistura é fundamental para sua eficiência, e também para melhoria da consistência. O superplastificante age mais efetivamente se for adicionado alguns minutos depois após a colocação da água de amassamento (MENDES apud HSU et al, 1999). A adição de superplastificante (parcialmente ou totalmente) na água de amassamento reduz sua eficiência, possivelmente devido à absorção pelos agregados durante a mistura

34 21 (AÏTCIN, 2000). Embora alguns fabricantes de superplastificantes orientem adicionálos à água de amassamento. O retardo da adição do superplastificante em 1 (um) minuto após o contato do cimento com a água de amassamento leva a uma mistura com abatimento cerca de 100% superior ao da mistura cuja colocação foi imediata, conforme mostra a Tabela 2.2. Em suma, a escolha dos superplastificantes é determinada, principalmente, em função do desempenho, compatibilidade com o cimento e dosagem (COLLEPARDI et al, 1999). Tabela Efeito do modo de adição dos superplastificantes SMF, SNF e CAE no slump de misturas de concreto de cimento Portland. Fonte: Collepardi (1999) ADITIVOS CONCRETOS TIPO DE DOSAGEM MODO DE RELAÇÃO A/C SLUMP (mm) ADITIVO (% TEOR DE SÓLIDOS) ADIÇÃO SMF 0,50 IMEDIATA 0, SMF 0,50 RETARDADA 0, SNF 0,48 IMEDIATA 0, SNF 0,48 RETARDADA 0, CAE 0,30 IMEDIATA 0, CAE 0,30 RETARDADA 0, Adições minerais São materiais silicosos finamente moídos, adicionados ao concreto em quantidades relativamente grandes, geralmente na faixa de 20,0 a 100,0% da massa de cimento Portland (MEHTA, 1994). Os benefícios derivados do emprego de adições minerais no concreto incluem melhora da resistência à fissuração térmica devido ao calor de hidratação mais baixo, aumento das resistências e da impermeabilidade por refinamento dos poros, e uma durabilidade maior ataques químicos (expansão álcali-agregado).

35 Sílica ativa A sílica ativa (ou microssílica) é um subproduto de fornos a arco e de indução das indústrias de silício metálico e ligas de ferro-silício. Comparando ao cimento Portland comum e as cinzas volantes, a sílica ativa apresenta distribuição granulométrica das partículas duas ordens de grandeza mais finas. Com isso, devido ao pequeno diâmetro de suas partículas (1,0 micrômetro) possui grande superfície específica (Figura 2.4), o que justifica alta demanda de água e exigência de plastificante; ainda que, melhora a trabalhabilidade por reduzir o tamanho e volume de vazios no concreto (MEHTA, 1994). Figura 2.4 Sílica ativa vista por microscópio. Fonte: Mehta (1994) Sua adição associada à massa de cimento faz com que se obtenha aumento de desempenho do concreto. Tem partícula de dimensão média cem vezes menor que a do grão de cimento. A sílica ativa preenche os vazios da zona de transição do material cimentício/agregado, ao mesmo tempo que reage com a água e a portlandita disponível, aumentando a resistência do concreto (TÉCHNE, 2002). Price (2003), afirma que o papel das adições é muito mais significativo no CAD do que os concretos convencionais. Para produzir concretos de alto desempenho em níveis muito baixos de relação a/c (normalmente inferior a 0,30), sem necessidade de um elevado teor de cimento, é necessário o uso de superplastificantes.

36 23 A sílica ativa é um pó extremamente fino, ocupando vazios não preenchidos pelo cimento, permitindo assim a obtenção de concretos extremamente resistentes e duráveis. Conjuntamente com um agente redutor de água adicionados à mistura do concreto, a sílica ativa é capaz de produzir resistência elevada no concreto, tanto nas primeiras idades quanto nas idades posteriores. O ganho de resistência nas primeiras idades é devido a uma ligeira aceleração na hidratação do cimento Portland; o ganho de resistência nas idades finais é devido principalmente a reação pozolânica. Devido a sua finura, as partículas de sílica ativa podem preencher os vazios entre as partículas maiores do cimento, quando elas estão bem defloculadas na presença de uma dosagem adequada de superplastificante (AÏTCIN, 2000). A adição de sílica ativa reduz também, drasticamente, tanto a exsudação interna como superficial da mistura. Além disso, as partículas de sílica ativa têm um efeito fluidificante sobre traços com relação água/cimento muito baixa. A sílica ativa é quase indispensável ao CAD, uma vez que tem aproximadamente três vezes mais eficiência cimentícia do que o cimento Portland. Isto facilita a obtenção de alta resistência sem excessiva quantidade de cimento. Para ser eficaz, deve ser sempre usada em conjunto com um superplastificante. É normalmente adicionada à mistura proporções de 5,0 a 10,0% da massa do cimento (PRICE, 2003). A combinação desses diferentes modos de ação da sílica ativa no concreto resulta numa microestrutura muito densa, aumentando assim a resistência à compressão do concreto. Além disso, como a sílica ativa reduz a porosidade do concreto, a permeabilidade é reduzida. É válido observar que os fatores de eficiência da sílica ativa relacionados à permeabilidade do concreto são maiores do que para a resistência à compressão. Em compostos cimentícios, a sílica ativa atua de duas maneiras. A primeira é a reação química conhecida como reação pozolânica. A hidratação do cimento Portland produz muitos compostos, entre eles o silicato de cálcio hidratado (C-S-H) e o hidróxido de cálcio (CaOH). O gel de C-S-H é bem conhecido como sendo a fonte de resistência no concreto.

37 24 Quando a sílica ativa é adicionada no concreto fresco, ela reage quimicamente com o CaOH para produzir uma quantidade adicional de C-S-H, inclusive com características superiores, do ponto de vista de adesividade, àquele produzido pela simples hidratação do cimento Portland, aumentando a resistência à compressão e a resistência química. A zona de interface da pasta e do agregado é aumentada, resultando em altas resistências à compressão (MEHTA, 1994). A segunda função da sílica ativa é o efeito fíler. Como a sílica ativa de Fe-Si é cerca de 100 a 150 vezes menor que uma partícula de cimento, ela poderá preencher vazios criados pela água livre na matriz. Essa função, chamada empacotamento, refina a microestrutura do concreto, criando uma estrutura porosa muito mais densa (NEVILLE, 1997). Embora Isaia e Helene (1995), comentam que o uso de elevadas quantidades de sílica ativa é questionado, haja vista que podem possibilitar a despassivação da armadura do concreto devido a queda de reserva alcalina. 2.5 RELAÇÃO ÁGUA/CIMENTO É a relação entre a quantidade de água usada na mistura do concreto com a massa de cimento. A resistência à compressão, do concreto, depende do fator água/cimento, que, por sua vez, depende da distribuição granulométrica do agregado. A distribuição granulométrica deverá ser tal que permita uma mistura de máxima compacidade, compatível com a peça a concretar (BAUER, 2000). A relação água/cimento determina a porosidade da pasta de cimento endurecida em qualquer estágio de hidratação. Sendo assim, tanto o grau de adensamento como a relação água/cimento influenciam no volume de vazios do concreto (Figura 2.5). Segundo Neville (1997), misturas com relação água/cimento muito baixa e um teor de cimento muito alto, exibem uma redução de resistência quando se usam agregados com

38 25 grande tamanho. Assim, as idades mais avançadas, nesse tipo de mistura, uma relação água/cimento menor pode não resultar uma resistência alta. Figura 2.5 Representação esquemática de duas pastas frescas de cimento com relação a/c distintas. Fonte: Aïtcin (2000) Para relações água/cimento abaixo de 0,30, aumentos desproporcionalmente elevados na resistência à compressão podem ser conseguidos para pequenas reduções na relação água/cimento. O fenômeno é atribuído, principalmente, à melhora significativa da resistência na zona de transição obtida para relações água/cimento muito baixas. Uma das explicações é que o tamanho dos cristais de hidróxido de cálcio diminui com a redução das relações água/cimento (MEHTA, 1994). A baixa relação água/cimento é necessária para produzir o CAD, além de que geralmente melhora a durabilidade do concreto. Quando dosado com sílica, constatamse reduções significativas na permeabilidade e na infiltração de cloretos (PRICE, 2003). O aumento da resistência é obtido, principalmente pela redução drástica da porosidade da pasta de cimento hidratada. Essa redução de porosidade é obtida pela adição de mais cimento ao mesmo tempo em que se reduz a quantidade de água de mistura através do uso de superplastificantes e pela substituição de uma parte do cimento por um volume igual de material cimentício suplementar (por exemplo, a sílica ativa).

39 DOSAGEM DO CAD Segundo Neville (1997), ainda não foi desenvolvido um procedimento sistematizado de aplicação geral à dosagem de concreto de alto desempenho. As razões para isso incluem o fato de que até agora foram construídas poucas estruturas com concreto de alto desempenho (em relação aos concretos convencionais) e cada estrutura envolve materiais específicos e especialmente selecionados. Segundo Lintz et al. (2005), a dosagem do CAD é um pouco mais complicada do que a do concreto convencional. Embora o CAD utilize os mesmos componentes básicos, podendo entrar mais alguns complementares: superplastificantes, sílica ativa e eventualmente aditivos retardadores de pega. O CAD exige condições de produção e execução rigorosas, que deveriam ser padrão também para concretos convencionais, o que pouco ocorre, na prática. Conhecer as características de aditivos e adições ajuda a entender porque tanta preocupação. A sílica ativa propicia maior compacidade ao concreto, melhorando a aderência entre a pasta e os agregados graúdos devido à sua extrema finura, com diâmetro médio em torno de 19 mm. O excesso de impurezas na água pode provocar problemas na resistência, assim como o uso inadequado de aditivos (PRICE, 2003) A seleção dos materiais que vão ser usados na mistura deve ser bem cuidadosa, haja vista que os ingredientes adicionados de forma inadequada levam a perder o objetivo da dosagem, que é obter o concreto de alto desempenho. O concreto de alto desempenho deve ser produzido, transportado e lançado da mesma forma que o concreto usual. Quando as qualidades do cimento e do superplastificante estão sobre controle, os demais parâmetros críticos que devem ser verificados são a granulometria e a forma do agregado graúdo, assim como a granulometria da areia e seu teor de umidade. Os materiais cimentícios também deverão ser cuidadosamente controlados com a mesma atenção dispensada aos outros materiais mencionados. Qualquer falta de qualidade num dos insumos usados causará problemas, pois, no preparo do concreto de alto desempenho a margem de segurança não é grande.