better characterization of the existent reactions, moreover the description of the experiences on

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1 REAÇÃO ÁLCALI-AGREGADO : CARACTERIZAÇÃO E ESTUDO DA INFLUÊNCIA NO MACIÇO DE UMA BARRAGEM DE CONCRETO GRAVIDADE Barbosa, F. R.(1); Pires Sobrinho, C. W. A (2) (1) Estudante de Engenharia Civil da UFPE, Técnico em Edificações, Pesquisador do Projeto PADCT/FINEP/ITEP (2) Eng. Civil, Mestre Eng. Civil, Pesquisador do ITEP, Prof. da Poli/UPE e da UNICAP 01. RESUMO Diante do fenômeno das reações expansivas do tipo álcali-agregado, a realização de estudos para uma melhor caracterização das reações existentes, bem como o relato de experiências com obras que apresentam esses sintomas, constitui ferramenta de grande valia para todos os profissionais atuantes no setor da construção. Pensando nestes aspectos, este trabalho foi idealizado com o objetivo de ampliar os conhecimentos existentes sobre a evolução deste fenômeno, além de comentar as evidências e conclusões obtidas a partir da análise de um caso de reatividade numa barragem de concreto gravidade. 02. ABSTRACT According to the phenomenon of alkali-aggregate expansive reactions, the study for a better characterization of the existent reactions, moreover the description of the experiences on site, which has these symptoms, are very important tools for all the professionals of the construction area. Thinking about that, this paper was elaborated trying to amplify the knowledge about the reactions evolutions, as well as coment the evidences and conclusions taken from a reactivity case s analyses at a concrete dam.

2 03. INTRODUÇÃO O fenômeno da reação álcali-agregado tem sido geralmente associado a construções de grande porte, como é o caso das barragens; não pelo fato de que estas estruturas sejam mais susceptíveis ao problema, mas porque apresentam maiores dificuldades de reparo e um risco muito maior em caso de desastre. Qualquer estrutura hidráulica de concreto pode apresentar os sinais de deterioração por ação destas reações alcalinas, desde que haja condições favoráveis para o desenvolvimento deste tipo de reação. Diante disso, este fenômeno tem sido objeto de inúmeras investigações com o objetivo de se conhecer o mecanismo de reação, bem como os fatores que a influenciam, definindo-se a partir daí soluções seguras e viáveis para a recuperação das estruturas afetadas. 04. A IMPORTÂNCIA DOS ÁLCALIS NA REAÇÃO Os álcalis são, sob o ponto de vista químico, os elementos que ocupam a primeira coluna da tabela periódica, mas apenas o sódio e o potássio estão presentes em quantidades significativas no cimento(0,5 a 1,3%). A partir do exposto, parece que o termo álcali, usado em relação a reação álcali-agregado, pode gerar má interpretação, uma vez que a reação está mais correlacionada a quantidade total de álcalis, expressa como porcentagem equivalente de Na 2 O(Na 2 O + 0,658 K 2 O), do que às quantidades individuais de óxidos de sódio ou potássio. Os álcalis, nas soluções contidas nos poros do cimento, estão normalmente presentes sob a forma de hidróxidos, o que contribui para o elevado PH do sistema. Os hidróxidos de sódio e potássio são responsáveis pela expansão da reação álcali-agregado, entretanto alguns estudos indicam que o hidróxido de sódio é mais agressivo que o de potássio. A causa fundamental do ataque ao agregado é a elevada concentração de íons de hidróxido produzidos nas soluções contidas nos poros de concretos executados com cimentos ricos em sódio e potássio, e não o teor de sódio e potássio desses cimentos. Desta forma, a reação álcali-agregado não ocorre, fundamentalmente, entre os íons de álcalis e o agregado do silício, mas sim entre o agregado e os íons de hidróxido, embora o teor de íons de hidróxido esteja diretamente relacionado ao teor de íons de álcalis.

3 05. AS REAÇÕES De uma forma geral, a reação álcali-agregado é descrita como ocorrendo entre os álcalis do cimento e o agregado, generalizando desta forma o fenômeno, entretanto trabalhos recentes acentuam que deve haver uma distinção clara entre as reações álcali-sílica, álcali-silicato e álcali-carbonato. O atual estágio de conhecimento acerca destas reações ainda é bastante primitivo, por isso este trabalho estará mais voltado para uma caracterização das reações álcali-sílica e álcali-silicato Reação Álcali-Sílica Conhecer as características da sílica reativa pode favorecer, sem dúvida, a compreensão da química do ataque, deste modo, o primeiro passo adotado será definir de forma simplificada, o modo como algumas formas de sílica tornam-se reativas, para em seguida descrever o processo de reação propriamente dito. As propriedades químicas da sílica são significativamente influenciadas pelo grau de subdivisão da sílica ou pelas imperfeições em sua estrutura cristalina. Assim, sua superfície específica assume uma papel importante, pois no caso de partículas macroscópicas, onde a superfície especifica é baixa, o caráter ácido não é perceptível, uma vez que o número de íons de hidrogênio por moles de SiO 2 é extremamente pequeno, pois são produzidos unicamente nas extremidades da partícula. Obviamente, se houver subdivisão da partícula macroscópica em pequenas partículas, o número de moléculas da água de adsorção aumentará, aumentando também o número de íons de hidrogênio livre e consequentemente a reatividade do material. O esquema químico desta reação pode ser resumido da seguinte forma: considere inicialmente uma partícula de sílica reativa envolta em pasta de cimento, sabe-se que nesta pasta estão presentes, entre outros, os íons de cálcio (provenientes do hidróxido de cálcio dissolvido formado na hidratação do cimento) e os álcalis (Na + e K + ), originados nos componentes alcalinos dissolvidos no cimento. Quando o cálcio, os álcalis e a sílica solúvel são postos em contato, em solução básica, forma-se um precipitado coloidal insolúvel de gel de cal e álcali-sílica, com coloração branca; mas quando apenas os álcalis e a sílica solúvel são postos em contato, em solução básica, forma-se um gel de álcali-sílica sem cal e que, diferentemente do primeiro, expande-se devido a absorção d'água e exerce uma pressão na região circundante.

4 Durante a reação há um consumo de álcalis, reduzindo a concentração alcalina, a qual pode chegar a um nível tal de redução que a concentração de cálcio torne-se suficientemente alta para assegurar a continua formação do gel não-expansivo, contendo cálcio, o que torna a reação inócua. Entretanto, caso o consumo de álcalis seja reduzido, ou melhor, de uma ordem tal que não torne expressiva a concentração de cálcio haverá a formação de um gel expansivo de álcali-sílica, abaixo do gel não-expansivo de cal-álcali-sílica, previamente formado. Na presença de certa quantidade de água, esse gel de álcali-sílica se expande criando forças, que se forem superiores à resistência à tração da pasta de cimento, poderão romper o sistema, gerando grandes expansões e fissuras. Deve-se, no entanto, salientar que as expansões irão cessar caso o teor de álcalis seja completamente utilizado ou a reação chegue ao centro da partícula, ou ainda quando toda a sílica reativa tiver sido utilizada Reação Álcali-Silicato Esta reação ocorre entre os álcalis do cimento e os silicatos existentes nos feldspatos, folhelhos argilosos e algumas rochas sedimentares, metamórficas e magmáticas. Este tipo de reação é semelhante a álcali-sílica, porém mais lenta, pois os minerais reativos encontram-se mais disseminados no retículo cristalino. Ela se manifesta por uma zona sombria no contato do agregado com a pasta de cimento e por depósito branco sobre os agregados, nos planos de clivagem. A zona sombria é constituída de um gel expansivo de silicato alcalino que, dependendo do excesso de álcalis ou hidróxido de cálcio, poderá ser mais ou menos expansivo. Van Aardt e Visser(3) propuseram uma teoria na tentativa de explicar como os feldspatos podem tornar-se um material reativo, esta teoria é conhecida como a Solution Theory. Deve-se ainda considerar a presença de outros fatores que influenciam o processo de reação, como é o caso da finura dos feldspatos, posto que grãos finamente divididos, mesmo sem ação de intempérie, reagem com relativa rapidez com o hidróxido de cálcio. Além disso, considera-se que o quartzo, embora seja um dos minerais termodinamicamente mais estáveis, pode ser potencialmente reativo quando apresenta o retículo cristalino deformado, principalmente por tensões de origem geológica. Esta deformação do quartzo pode ser mensurada sob a forma de extinção ondulante dos cristais em lâmina delgada, quando submetido à análise ao microscópio de luz polarizada.

5 06. UM ESTUDO DE CASO NUMA BARRAGEM DE CONCRETO GRAVIDADE 6.1. Caracterização da Obra A obra em análise consiste de uma barragem, construída no inicio da década de 70, cuja estrutura principal foi executada em concreto gravidade e apresenta as seguintes características geométricas : 40 m de altura, 270 m de comprimento de crista, coroamento na cota 110m, vertedouro central na cota 103m e vertedouros laterais na cota 105m A Origem do Problema A partir do início desta década, algumas anomalias foram observadas, principalmente no que diz respeito a uma vazão excessiva presente na galeria de drenagem. Durante as etapas de análise do problema de fugas d'água, iniciado em 1991 pelo ITEP, foi detectada a presença de evidências de reatividade álcali-agregado, alertando a companhia responsável pela barragem a respeito dos inconvenientes que são conseqüências destas reações expansivas. Dessa forma optou-se pela realização de uma análise geológica das condições da barragem e em seguida a definição de um programa para a caraterização do tipo de reação existente, bem como do seu atual estágio de desenvolvimento, definindo-se assim a necessidade de medidas emergenciais ou de um programa de melhoramento nas condições gerais da obra a ser desenvolvido gradativamente A Avaliação Geológica Esta etapa de avaliação foi desenvolvida segundo a seguinte linha de orientação: análise das condições de fundação da barragem; análise de testemunhos de sondagem e análise petrográfica microscópica. Todos os dados comentados nesta seção visam exclusivamente a caraterização dos materiais disponíveis sob o ponto de vista de potencialidade para a reação álcali-agregado. Posto isso, tem-se que a avaliação da rocha de fundação revelou tratar-se de um granito-gnaisse com fortes evidências de ter sofrido intensa atividade tectônica. A descrição petrográfica desta rocha caracteriza-a como um gnaisse granítico,

6 cataclástico a milonítico. O feldspato dominante é o plagioclásio, seguido de microclina e os máfios são a biotita e a hornblenda. A rocha exibe intensa deformação. O plagioclásio é de composição oligoclásio(sódico) e apresenta-se quase inteiramente sericitizado(por ação metamórfica e não intempérica) e com forte extinção ondulante. O quartzo também apresenta forte extinção ondulante. No decorrer desta etapa foram realizadas sondagens com diâmetro Nx e Bx, as quais apresentaram em geral uma recuperação muito baixa, sendo um indício seguro da má qualidade do concreto. A evidência desta má qualidade é reforçada pela presença freqüente de descoloração nos testemunhos extraídos, além de pontos onde o processo de sondagem acabou por provocar total destruição da argamassa enfraquecida. Também foi evidenciada, na superfície de alguns testemunhos, a presença de pequenos nódulos brancos de cerca de poucos milímetros de dimensão, interpretados como pontos de exudação de gel, possivelmente associados a problemas de reatividade álcali-agregado. Os agregados observados no concreto são de características semelhantes às da rocha de fundação e portanto potencialmente reativos devido a presença de álcali-granito gnaisse com intensa deformação que dá origem a quartzo e feldspatos com forte extinção ondulante. A análise petrográfica do concreto confirmou que o agregado graúdo usado possui as mesmas características petrográficas da rocha de fundação, sendo considerado como potencialmente reativo. Além disso, não foi detectada a presença de areia típica de rio, com grãos arredondados, no agregado fino; mas sim, minerais idênticos ao do agregado graúdo, sendo comuns o quartzo tencionado, microclina fraturada e plagioclásio sericitizado, o que confirma a informação que o agregado fino usado foi o próprio pó de pedra. As evidências são de que a reação realmente ocorreu, como atestam tanto a presença de material fibroso secundário neoformado( preenchendo bolhas de ar na pasta e fissuras distribuídas ao longo do contato agregado-pasta ) como do gel. A exudação deste último, nas paredes dos testemunhos de sondagem, indica a persistência de reação ainda hoje. A intensidade do fenômeno de reatividade entretanto é aparentemente pequena, o que é atestado pela quase ausência de halos de reatividade, inexistência do padrão típico de fissuração e quase nenhum dano causado à estrutura.

7 6.4. O Programa de Análise da Reatividade Álcali-Agregado Após a realização dos estudos iniciais em 1991/92, pelo ITEP, houve a preocupação de avaliar o desenvolvimento das reações alcalinas, verificando a velocidade com que elas se processavam, bem como o grau de comprometimento da estrutura, definindo-se as conseqüências e providências necessárias para minimizar seus efeitos, etapa que ocorreu em Estes estudos foram realizados segundo três fases distintas; na primeira realizou-se um programa de ensaios e verificação de potencialidade de reações expansivas do tipo álcalis-agregado a partir de testemunhos de concreto; em seguida ocorreu a análise dos resultados destes ensaios e por fim foi realizado uma análise do comportamento da barragem. Para a realização da primeira etapa foram selecionados testemunhos de concreto extraídos do maciço da barragem através de uma sonda MACH-700, com diâmetro H e uso de barrilete duplo giratório. Dentre as opções disponíveis para avaliação do grau de potencialidade do agregado no que diz respeito às reações alcalinas, foi escolhido o ensaio de reatividade acelerada segundo o método C-1260 da ASTM - Potential Alkali-Aggregate Reactivity Evaloution, recém introduzido nos EUA, com base no procedimento NBRI - África do Sul. Também foram determinadas as quantidades de álcalis totais e solúveis. O método acelerado é uma variante do método das barras e apresenta como principal vantagem o fato de permitir a análise do comportamento dos agregados em face da reatividade potencial em curto espaço de tempo. As barras de argamassa devem ser preparadas de acordo com as normas ASTM C-227 ou NBR , e estocados em solução de hidróxido de sódio 1 N a 80 o C, durante 28 dias. Leituras da variação de comprimento são efetuadas diariamente, sendo os resultados expressos em porcentagem de expansão. Para a realização deste ensaio foram confeccionadas três tipos de argamassa; utilizando o agregado proveniente do concreto endurecido, o próprio concreto e testemunhos da rocha de fundação. Essas análises foram realizadas no laboratório de Furnas Centrais Elétricas S/A, em Goiânia - GO, e os resultados encontram-se expressos nos quadros 9.2 e 9.3 e figuras 9.1 a 9.3. O agregado foi separado do cimento por peneiramento após moagem do testemunho em aparelho de abrasão Los Angeles.

8 6.5. Análise dos Resultados e Conclusões Houve a constatação de pigmentação de coloração esbranquiçada, com exudação de gel, na superfície de alguns testemunhos o que indica a presença de reações alcalinas do tipo álcali-agregado, o que foi confirmado através dos resultados dos ensaios acelerados. Os agregados utilizados na fabricação dos concretos da barragem pertencem a mesma litologia do material da rocha de fundação e possui características de reativo aos álcalis. Esse agregado é proveniente de uma rocha granito-gnaisse, conforme exposto no item 6.3 e foi utilizado tanto como agregado graúdo quanto como agregado miúdo, ambos obtidos por processo de britagem. Com base nesta caraterização e nos dados fornecidos pelo quadro 9.1, pode-se caracterizar a reação como pertencente ao grupo dos álcali-silicato. No período de construção da barragem, a região NE ainda não produzia o cimento pozolânico, razão pela qual a indicativa converge para a aplicação de cimento Portland comum, com um teor de álcalis em torno de 0,80 %, média razoável para os fabricantes da região. Sabe-se que o teor de álcalis do cimento, expresso em termos de equivalente em Na 2 O quando ultrapassa o patamar de 0,6 % caracteriza o produto como não adequado quando utilizado com materiais reativos. Esta condição provável, em geral, agravou o fenômeno da reatividade existente. Os resultados dos ensaios de álcalis totais e solúveis apresentados no quadro 9.2, conduzem aos valores em termos de equivalentes alcalinos de 0,06 % para os solúveis e 2,31 % para os totais. Entretanto, deve se considerar que estas reações de expansão são decorrentes fundamentalmente da disponibilidade em termos de equivalente alcalino solúvel, e neste caso foi detectado um teor de 0,06 %, o que não representa um índice elevado, porém caracteriza uma reserva moderada do potencial de expansão, com a idade do concreto. O comportamento das amostras ensaiadas segundo o método acelerado pode ser considerado potencialmente deletério, conforme limite de expansão da ASTM C-1260/94, estabelecido no valor máximo de 0,11 % aos 16 dias. Estes valores, na idade de 28 dias são ultrapassados de 2 a 4 vezes. Entretanto, este não é o único dos fatores que influencia a reação, outros pontos como a quantidade de agregados reativos, além do tamanho das partículas destes agregados, também são importantes. No que diz respeito ao primeiro ponto, sabe-se que a quantidade de componentes reativos do agregado afeta significativamente a magnitude da expansão do concreto e o grau de

9 degradação. É importante salientar que o intervalo perigoso ou zona péssima é variável não só com o tipo de agregado reativo, como também com outros parâmetros importantes para a reação, como é o caso do conteúdo de equivalente alcalino em óxido de sódio. O outro ponto é o tamanho dos agregados reativos, pois quando possuem dimensão muito reduzida provocam uma reação profunda e total antes que o gel tenha se formado. Grandes quantidades de materiais finos, devido a sua grande superfície especifica, fazem com que a concentração de álcalis seja rapidamente reduzida, de forma que os agregados maiores não cheguem a sofrer as reações secundárias que provocam a formação do gel expansivo. Isso explica porque particularmente grãos médios ou grossos parecem provocar o efeito destrutivo sempre que houver ausência de areias reativas. Baseando-se nestes últimos comentários e sabendo que tanto o agregado graúdo quanto o miúdo possuem as mesmas características reativas encontradas na rocha de fundação, pode-se concluir que o emprego desta areia artificial obtida da rocha de fundação através do processo de britagem, certamente contribuiu para o atenuamento do fenômeno de expansão. Graças ao uso desta areia artificial, a reação álcali-agregado só foi capaz de produzir trincas sub-horizontais, constatadas principalmente na seção não-vertedoura da ombreira direita e no interior da galeria. O padrão típico de trincas, característico do fenômeno da reatividade só é observado fora da galeria, no concreto do bloco de ancoragem do conduto, na saída da caixa de areia. Neste caso específico o fenômeno foi agravado muito provavelmente pela retração hidráulica ou deficiência de cura do concreto, na época da construção. 07. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1- Vivian, H.E - Studies on cement-aggregate reaction: the effect on mortar expansion of the particle size of the reactive component in the aggregate. Australian Journal of Applied Science,2: , Carman, P.C - Constitution of colloidal silica. Faraday Society, Trans., 36, Van Aardt, J.H.P & Visser, S - Calcium hydroxide attack on feldspats and clays: possible relevance to cement-aggregate reactions. Cement and Concrete Research, 7(6): , Nov Andrade, W.P. et all - Concretos : Ensaios e Propriedades. São Paulo:Pini, Paulon, V.A - Reações Álcali-Agregado em Concreto. Tese de Mestrado. São Paulo, 1981.

10 6- Barbosa, F.R & Monteiro, C.Q & Pires Sobrinho, C.W.A - Análise de Reações Álcali-Agregados no Maciço de uma Barragem de Concreto Gravidade. Conpat 97 - IV Congresso Iberoamericano de Patologia das Construções, Out AGRADECIMENTOS Ao Engenheiro Francisco Gladston de Holanda pela convivência e informações compartilhadas através dos serviços de consultoria realizados no decorrer deste estudo. 09. QUADROS E FIGURAS QUADRO Agregados Reativos (Resumo) Natureza da Reação Tipo de Agregado Fase Mineralógica Características da Rocha Minerais de alteração: Opala, Calcedônia, Álcali - Basalto Palagonita. Rochas Sílica Pedra Pomes, Riolito, Vidros vulcânicos ácidos a intermediários e magmáticas Andesito, Dacito, etc Tridimita Granito, Gnaisse, >30% de quartzo deformado com angulo de Rochas Álcali - Quartzito, Xisto extinção ondulante 25 o. Metamórficas Silicato Grauvaca Quartzo microcristalino a criptocristalino Rochas Sedimentares *FONTE : Andrade, W. P. et all (4) Quadro Determinação dos Álcalis Totais e Solúveis Propriedades Resultados dos Ensaios (%) Na 2 O 0.81 Álcalis Totais K 2 O 2.30 equivalente alcalino em Na 2 O 2.31 Na 2 O 0.03 Álcalis Solúveis K 2 O 0.04 equivalente alcalino em Na 2 O 0.06 * para realização deste ensaio pulverizou-se a argamassa da mistura do concreto endurecido

11 VARIAÇÃO DE COMPRIMENTO (%) VARIAÇÃO DE COMPRIMENTO (%) VARIAÇÃO DE COMPRIMENTO (%) Quadro Ensaios de Reatividade Potencial Tipo de N o da A/C Variação de Comprimento (%) - Idade (dias) Amostra Amostra Agregado do concreto Concreto do maciço Rocha da Fundação ANÁLISE DE REATIVIDADE POTENCIAL - agregado proveniente de testemunhos de concreto 0,30 0,20 0,10 0, IDADE (dias) amostra 1 amostra 2 Figura Resultados do Ensaio Acelerado ANÁLISE DE REATIVIDADE POTENCIAL - emprego do concreto após moagem como agregado 0,30 0,20 0,10 0, IDADE (dias) amostra 1 amostra 2 Figura Resultados do Ensaio Acelerado ANÁLISE DE REATIVIDADE POTENCIAL -agregado proveniente da própria fundação da barragem(testemunho extraído) 0,60 0,40 0,20 0, IDADE (dias) amostra 1 amostra 2 Figura Resultados do Ensaio Acelerado