COMPOSIÇÕES GRANULOMÉTRICAS DE ARGAMASSAS E SEUS EFEITOS NO ESTADO FRESCO E ENDURECIDO

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1 COMPOSIÇÕES GRANULOMÉTRICAS DE ARGAMASSAS E SEUS EFEITOS NO ESTADO FRESCO E ENDURECIDO Maria Alba Cincotto Universidade de São Paulo Brasil cincotto@poli.usp.br Sérgio Cirelli Angulo Universidade de São Paulo Brasil sergio.angulo@poli.usp.br Arnaldo M. P. Carneiro Universidade Federal de Pernambuco Brasil ampc@ufpe.br Resumo: duráveis e com teores mínimos de ligantes reduzem os impactos ambientais associados ao uso desse material na construção e são, portanto, uma demanda de inovação importante para o futuro. O objetivo deste trabalho é analisar as composições granulométricas das argamassas e seus efeitos no consumo de água, para conferir uma fluidez constante, e nos volumes de poros e propriedades mecânicas resultantes dessas argamassas. Apesar das granulometrias descontínuas das argamassas não conduzirem ao melhor empacotamento da areia e, portanto, ao menor volume de vazios, as mesmas conferem fluidez com teores mais restritos de água na mistura, devido à maior mobilidade e menor atrito interno dos agregados. Tanto essas granulometrias quanto as granulometrias mais contínuas resultaram em argamassas com porosidade abaixo de 3%, que podem ser aplicadas convencionalmente em obras, sem que, com isso, seja necessário utilizar teores elevados de ligantes. Assim, o uso de granulometrias descontínuas na formulação de argamassas pode reduzir o impacto ambiental desse material. Palavras chave: argamassas cimento:cal, distribuição granulométrica, porosidade, propriedades mecânicas. 1. INTRODUÇÃO Um dos fenômenos patológicos que afetam a durabilidade e a estética de revestimento em argamassa, interno e externo, é o desenvolvimento de fungos, propiciado pela umidade relativa ambiente. As regiões climáticas brasileiras são muito diversificadas quanto à umidade ambiente e quanto à precipitação de chuvas, fato que motiva a seleção da argamassa adequada às condições ambientais locais [1].

2 Uma propriedade a ser controlada para a especificação da argamassa para os diferentes climas é a permeabilidade, controlada pelo seu volume e diâmetro de poros. Esses parâmetros determinados no estado endurecido dependem do grau de empacotamento das partículas constituintes ligantes e agregados que, por sua vez, dependem da contribuição individual para a distribuição granulométrica do conjunto, já no estado anidro [2,3]. Ao se selecionar adequadamente a proporção e o diâmetro dos materiais particulados pode-se reduzir os vazios resultantes do arranjo granulométrico espacial, controlando-se o seu grau de empacotamento. Dentre os estudos relevantes na definição da curva de distribuição granulométrica destacase o de Füller [4] um dos pioneiros, que realizou trabalhos empíricos de correção da granulometria de agregados naturais para a produção de argamassa e concreto. O segundo, de Furnas [5], avançou em relação aos trabalhos clássicos de Féret, Füller, Abrams, Graf e Talbot, citados em seu trabalho. Anderegg [6], por sua vez, abordou a influência do teor de finos no empacotamento. A classificação de tamanho das partículas é uma variável discreta, uma vez que a mesma deve ser classificada dentro de um intervalo de tamanho definido por malhas sucessivas de peneiras, podendo-se obter o máximo empacotamento por distribuições polimodais, contínuas ou descontínuas (Figura 1). Quanto maior o número de materiais constituintes, mais eficiente é o empacotamento. Diversos modelos de empacotamento utilizam progressões geométricas [2], onde vazios deixados pelas partículas maiores são preenchidos por partículas menores e, assim, sucessivamente. (a) Contínua (b) Descontínua Figura 1- Distribuições polimodais [7]: a) contínua; b) descontínua. Esses trabalhos citados restringiram-se ao agregado. A introdução da determinação de propriedades reológicas no estado fresco, motivaram uma nova abordagem no estudo da influência da composição nas propriedades das argamassas, levando em conta a distribuição granulométrica do conjunto de materiais constituintes, num primeiro instante sem a contribuição de aditivos orgânicos. A prática de obra brasileira era, e ainda é, o preparo de misturas formuladas em traço 1:3 (ligantes: agregados), em volume. Objetivando obter um conjunto de dados sobre as

3 propriedades das diferentes misturas cimento:cal:areia praticadas, realizou-se um estudo comparativo tendo como base a distribuição granulométrica contínua da areia, com diâmetros entre 2,4mm a,1mm [8], mas variando a fração retida em cada peneira, e o teor de finos. Outro detalhe desse estudo é que, as misturas foram formuladas em traço, seguindo a prática de obra, apresentando-se também as proporções correspondentes em massa, objetivando dar um passo à frente para a inovação na formulação. Com esses dados, a formação da estrutura de sólidos da argamassa, após endurecimento, pôde ser prevista, através do cálculo dos volumes dos materiais constituintes, e do volume de poros das argamassas, os quais afetam diretamente as suas propriedades mecânicas fundamentais [9]. Nas argamassas, o empacotamento de partículas irá afetar o consumo de água necessário para conferir fluidez à argamassa. Pelo modelo proposto por Powers [1], é possível estimar o volume de compostos hidratados do cimento, considerando-se a quantidade de água quimicamente combinada, na formação dos hidratos, correspondente a uma relação água/cimento de,23. Todo excesso de água é computado como água livre, a qual irá formar poros, após o endurecimento, somando-se aos vazios resultantes da distribuição granulométrica dos agregados não preenchidos pela pasta. Por fim, argamassas duráveis e com teores mínimos de ligantes são inovações importantes para o futuro porque irão reduzir os impactos ambientais associados ao uso desse material na construção. 1.1 Objetivo O objetivo deste trabalho é analisar as composições granulométricas das argamassas e seus efeitos no consumo de água, para conferir uma fluidez constante, e nos volumes de poros e propriedades mecânicas resultantes dessas argamassas. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Composições granulométricas das argamassas Inicialmente, uma areia predominantemente de quartzo foi peneirada a seco nas seguintes telas de abertura (em mm): 2,; 1,7; 1,42; 1,18; 1,;,85;,71;,6;,5;,425;,355;,3;,25;,212;,18;,15; 1,25;,13;,9; e,75. As massas retidas das frações granulométricas dessa areia foram compostas, segundo uma progressão geométrica (Equação 1) [5]. Em ambos os casos, para se conferir continuidade à curva granulométrica, as seguintes razões entre as porcentagens de massas retidas (progressões geométricas) foram adotadas:,7;,85;,9 e,95. A n+ 1 Pr = An (1). em que:

4 - P r é a razão entre entre as porcentagens de massas retidas de duas peneiras classificadas, em ordem crescente, pelo tamanho. - A n+1 é a porcentagem de massa retida na peneira de abertura superior. - A n é a porcentagem de massa retida na peneira de abertura inferior. Os teores de ligantes das argamassas, em massa, foram calculados pela diferença entre o total e a porcentagem de massa retida acima de 75 µm, de acordo com a equação 2. L (%) = 1 AC75µ m (2) em que: - L é o teor de ligantes (cimento e cal hidratada), na mesma proporção de massa. - AC 75µm é a porcentagem de massa retida acumulada na peneira de 75 µm. Com base nas distribuições granulométricas usuais do cimento (95% de clinquer portland), da cal hidratada (óxidos totais > 9%) e das progressões geométricas de tamanho da areia, os volumes das partículas, por fração granulométrica, foram calculados com base nas proporções de massa dos materiais utilizados nas argamassas (Tabela 1) e respectivas massas específicas (Tabela 2). Tabela 1 - Composição das argamassas. Traço em massa (cimento:cal:areia) Proporção de massa (% kg/kg) Cimento Cal Areia Grupo I,7 1: 1: 25,78 3,6 3,6 92,8,85 1: 1: 1,91 7,76 7,76 84,47,9 1: 1: 8,42 9,58 9,58 8,84,95 1: 1: 6,77 11,4 11,4 77,21 Grupo II,7 1: 1: 21,81 4,2 4,2 91,61,85 1: 1: 8,98 9,7 9,7 81,87,9 1: 1: 6,93 11,19 11,19 77,63,95 1: 1:1,52 13,31 13,31 73,39 Grupo III,7 1: 1: 18,84 4,8 4,8 9,4,85 1: 1: 7,66 1,36 1,36 79,28,9 1: 1: 5,82 12,79 12,79 74,43,95 1: 1: 4,58 15,21 15,21 69,58 Tabela 2 - Massas específicas dos materiais utilizados nas argamassas. Materiais Massa específica (kg/dm 3 ) Cimento CP I-S 3,6 (*) Cal CH-I 2,31 (*) Areia 2,67 (**) (*) Determinado por norma brasileira por meio de frasco de Le Chatelier. (**) Determinado por picnometria de gás Hélio.

5 2.2 no estado fresco e endurecido A Tabela 3 apresenta as relações água/cimento, necessárias para a obtenção de uma consistência fixa de 165 ± 15 mm, determinada pela mesa. Para conversão do traço em massa para volume, recomenda-se: a) admitir o traço para 1 kg de cimento; b) converter as massas dos materiais para volume, empregando os valores de massas específicas, e c) expressar os volumes, em %, totalizando 1 para todos os seus constituintes. A Tabela 4 exemplifica esse cálculo para a argamassa I-,7. O mesmo procedimento foi repetido para os demais traços unitários apresentados na Tabela 3. Tabela 3 - Constituintes das argamassas e suas propriedades mecânicas. Traço unitário em massa Relação a/c RC (MPa) RT flexão (MPa) E (GPa) Grupo I,7 1: 1: 25,78 4,74,3,2 3,74,85 1: 1: 1,91 2,28 2,94,33 9,84,9 1: 1: 8,42 1,869 3,77,35 12,92,95 1: 1: 6,77 1,346 4,87,57 17,19 Grupo II,7 1: 1: 21,81 4,736,12,8 5,25,85 1: 1: 8,98 3,252 3,37,39 16,27,9 1: 1: 6,93 3,297 4,76,5 18,78,95 1: 1:1,52 3, 5,39,55 26,94 Grupo III,7 1: 1: 18,84 3,45,24,9 6,49,85 1: 1: 7,66 2,64 4,34,56 16,58,9 1: 1: 5,82 1,68 5,83,76 2,31,95 1: 1: 4,58 1,789 6,36,84 28,89 Tabela 4 - Conversão dos traços das argamassas para volume: I-,7. Materiais Massa (kg) Volume (dm 3 ) Volume (%) Cimento 1,,327 (**) 2,16 Água de hidratação,22,22 1,45 Cal Hidratada 1,,433 (***) 2,86 Areia 25,78 9,645 (****) 63,68 Água livre 4,52 (*) 4,52 29,85 Total 32,52 15,144 1, (*) Água livre = a/c água hidratação (**) 1/ME cimento = 1/3,6 (***) 1/ME cal hidratada = 1/2,31 (****) 25,78 / ME areia = 25,78/2,673 = 9,645

6 3. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS A Figura 2 apresenta as composições granulométricas das argamassas. Em função das composições granulométricas dos ligantes e teores variáveis de cimento e de cal hidratada nos diferentes grupos de argamassas, nenhuma das argamassas estudadas apresentaram distribuição granulométrica contínua. Para cada grupo de argamassa, ocorre um aumento no volume de ligantes à medida que a progressão granulométrica da areia se torna mais contínua Frequência das partículas (% dm³/dm³) Frequência das partículas (% dm³/dm³) I-,7 2 I-,85 I-,9 I-, ,1 1, 1, 1, 1., 1., Tamanho das partículas (µm) Frequência das partículas (% dm³/dm³) II-,7 2 II-,85 II-,9 II-, ,1 1, 1, 1, 1., 1., Tamanho das partículas (µm) Grupo I Grupo II 25 III-,7 2 III-,85 III-,9 III-, ,1 1, 1, 1, 1., 1., Tamanho das partículas (µm) Grupo III Figura 2 - Composição granulométrica das argamassas. A Figura 3 apresenta os volumes de pasta das argamassas. com menores teores de ligantes e com granulometrias mais descontínuas demandaram menor consumo de água, para atingir uma fluidez constante. dos grupos II e III, de,85 a,95, apresentam teores de pasta acima de 5%, sendo pouco econômicas e, portanto, não utilizáveis.

7 Volume de pasta (% v/v) Água livre Água de hidratação Cimento Cal hidratada Volume de pasta (% v/v) Água livre Água de hidratação Cimento Cal hidratada 1 1 I-,7 I-,85 I-,9 I-,95 II-,7 II-,85 II-,9 II-,95 Grupo I Grupo II 7 6 Água livre Água de hidratação Cimento Cal hidratada Volume de pasta (% v/v) III-,7 III-,85 III-,9 III-,95 Grupo III Figura 3 - Volumes de pastas das argamassas. A Figura 4 ilustra a formação da estrutura de sólidos das argamassas, classificadas de acordo com sua porosidade. A água livre, descontando-se o volume de água necessário para a hidratação do cimento, é a principal responsável pela formação dos poros. com volume de areia abaixo de 5% apresentam porosidade acima de 33%, apesar de terem um volume de ligantes elevado (> 12%). Foram obtidas argamassas com porosidade inferior a 33%, com teores bem mais restritos de ligantes (~7%). Essas argamassas são as que apresentam granulometria mais descontínua. Embora as granulometrias descontínuas não favoreçam o empacotamento tanto quanto as granulometrias contínuas, as mesmas podem conferir fluidez com teores mais restritos de água na mistura.

8 1 Volume (%) ,26 28,5 28,71 28,97 29,85 33,6 32,61 34,19 36,83 41,26 47,74 49,31 9,33 7,48 3,85 6,9 2,86 4,86 3,61 3,17 11,78 9,45 7,69 4 7,66 1,14 1,16 9,12 5,89 12,8 6,87 12,83 7,43 6,94 9,39 8,76 54,63 54,57 62,58 57,25 63,68 59,77 5,61 42,87 4,18 45,98 35,44 34,99 Poros Cal hidratada Cimento hidratado Areia I-,95 I-,9 III-,7 I-,85 I-,7 II-,7 III-,85III-,9III-,95 II-,85 II-,95 II-,9 Figura 4 - Formação de sólidos das argamassas, de acordo com a porosidade. Como, em alguns casos, o volume de pasta não foi superior aos vazios teóricos deixados pela areia, as propriedades das argamassas no estado endurecido dependem, não apenas do volume de poros, mas também do volume mínimo de cimento hidratado (> 1%), para se atingir um comportamento mecânico satisfatório (Figura 5 e Figura 6). 1 1, 9 resistência à compressão,9 Resistência à compressão (MPa) resistência à tração na flexão R² =,91 R² =,89,8,7,6,5,4,3,2,1 Resistência à tração na flexão (MPa) Volume de cimento hidratado (%), Figura 5 - Volume de cimento hidratado x resistência mecânica.

9 1 4 Resistência à compressão (MPa) resistência à compressão módulo de elasticidade R² =,79 R² =, Módulo de Elasticidade (GPa) Volume de cimento hidratado (%) Figura 6 - Volume de cimento hidratado x módulo de elasticidade. A resistência à tração na flexão é dependente da resistência à compressão e a mesma corresponde a aproximadamente 1/1 da resistência de compressão. O módulo de elasticidade, em GPa, também, equivale a quatro vezes o valor dessa resistência, em MPa. 4. CONCLUSÕES Apesar das granulometrias descontínuas das argamassas não conduzirem ao melhor empacotamento da areia e, portanto, ao menor volume de vazios, as mesmas conferem fluidez com teores mais restritos de água na mistura, devido à maior mobilidade e menor atrito interno dos agregados. Assim, tanto essas granulometrias quanto as granulometrias mais contínuas resultaram em argamassas com porosidade abaixo de 3%, que podem ser aplicadas convencionalmente em obras, sem que, com isso, seja necessário utilizar teores elevados de ligantes. Assim, o uso de granulometrias descontínuas na formulação de argamassas pode reduzir o impacto ambiental desse material. Deve haver um volume mínimo de pasta (cimento, cal e água) suficiente para preencher os vazios teóricos deixados durante o empacotamento dos agregados, para que as propriedades mecânicas das argamassas dependam, exclusivamente, dos poros formados pela água acima da estequiometricamente necessária para hidratar o cimento. Nos casos onde este volume é insuficiente, para se atingir propriedades mecânicas satisfatórias (>,5 MPa de resistência à tração na flexão), as argamassas devem conter um

10 volume mínimo de compostos hidratados de cimento, em torno de 1% v/v, mesmo com a porosidade total abaixo de 3%. Para se conseguir resultados mecânicos satisfatórios de argamassas descontínuas com baixo teor de ligantes devem ser empregados aditivos dispersantes, para reduzir o volume de água livre, e ultrafinos abaixo de 5 µm, melhorando o empacotamento das argamassas, sem prejudicar demasiadamente a mobilidade dos sólidos. Tal desenvolvimento se faz necessário por questões ambientais, no tocante à redução das emissões de CO 2 geradas na produção das argamassas. 5. REFERÊNCIAS [1] Shirakawa, M. A.; Cincotto, M. A.; Carneiro, A. M. P.; Gambale, W. Atividade de água e biodeterioração de argamassas por fungos filamentosos. II Simpósio Brasileiro de Tecnologia de, Salvador Brasil, 1997, p [2] Oliveira, I. R.; Studart, A. R.; Pileggi, R. G.; Pandolfelli, V. C. Dispersão e empacotamento de partículas: princípios e aplicações em processamento cerâmico. Fazendo Arte Editorial, p. [3] Cardoso, F. A. Método de formulação de argamassas de revestimento baseado em distribuição granulométrica e comportamento reológico. Tese (doutorado) Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo p. [4] Füller, W. B.; Thompson, S. E. The laws of proportioning concrete. Proceedings of American Society of Civil engineers, v.33, n.3, 197, [5] Furnas, C.C. Grading aggregates, I- Mathematical relations for beds of broken solids of maximum density. Industrial and Engineering Chemistry, v. 23, n. 9, 1931, [6] Anderegg, F. O. Grading aggregates, II- the application of mathematical formulas to mortars. Industrial and Engineering Chemistry, v. 23, n. 9, 1931, [7] Mendes, T. M. Influência do coeficiente de atrito entre os agregados e da viscosidade da matriz no comportamento reológico suspensões concentradas heterogêneas. Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo p. [8] Cincotto, M.A.; Carneiro, A. M. P. Estudo da influência da distribuição granulométrica nas propriedades de argamassas dosadas por curva granulométrica. III Simpósio Brasileiro de Tecnologia de. Vitória. Brasil. 1999, p [9] Quarcioni, V. A., Chotoli, F. F., Angulo, S. C.; Guilge, M. S.; Cavani, G. R.; Castro, A. L.; Cincotto, M. A. Estimativa da porosidade de argamassas de cimento e cal pelo método de cálculo de volumes. Revista Ambiente Construído, ANTAC- Associação Brasileira do Ambiente Construído, 29, v. 9, no. 4, out-dez, p [1] Powers, T. C. Physical properties of cement paste. International Congress of Chemistry of Cement, 4, Washington, 196. p