Avaliação da Porosidade e do Teor de CH de Pastas de Cimento Portland com Sílica Ativa e Látex SBR

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1 ISSN Revista Matéria, v. 1, n. 3, pp , 25 RESUMO Avaliação da Porosidade e do Teor de CH de Pastas de Cimento Portland com Sílica Ativa e Látex SBR JOÃO ADRIANO ROSSIGNOLO Laboratório de Construção Civil - Dep. de Arquitetura e Urbanismo - EESC/USP Av. Trabalhador Saocarlense, 4. São Carlos SP. CEP: jarossig@sc.usp.br Nesse trabalho são apresentados os resultados da análise do efeito da sílica ativa e do látex SBR na microestrutura de pastas de cimento Portland. Foram utilizadas as técnicas porosimetria por intrusão de mercúrio (PIM) e difratometria de raios-x (DRX), para análise da porosidade e da distribuição dos poros e do comportamento do hidróxido de cálcio CH (Ca(OH) 2 ) nas pastas de cimento, respectivamente. Os resultados indicaram que o látex SBR e a sílica ativa reduzem significativamente o teor de CH e a porosidade da pasta de cimento. Palavras chaves: cimento Portland, sílica ativa, látex SBR, PIM, DRX. Evaluation of Porosity and CH Contents on The Portland Cement Paste With Silica Fume and SBR Latex ABSTRACT The influence of the silica fume and SBR latex on the microstructure of Portland cement pastes has been studied. Mercury intrusion porosimetry (MIP) and X-ray diffraction (XRD) was used to measure the the porosity and pore distribution, and the behavior of CH (Ca(OH) 2 ), respectively. The investigations show that the SBR latex and silica fume reduces the CH quantity and the porosity in the cement paste. Keywords: Portland cement, silica fume, MIP, XRD. 1 INTRODUÇÃO As pesquisas realizadas a partir de 2 no Laboratório de Construção Civil (LCC) da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC), Universidade de São Paulo (USP), indicam que há um grande potencial da utilização conjunta de sílica ativa e látex de estireno-butadieno (SBR) na melhoria de desempenho das propriedades dos concretos com agregados leves, especialmente as relacionadas à durabilidade e à resistência mecânica [1-3]. A sílica ativa é uma adição mineral de atuação efetiva na redução da porosidade e do teor de hidróxido de cálcio (CH) da matriz de cimento, promovendo, assim, melhorias significativas de desempenho das propriedades relacionadas à durabilidade dos concretos, tais como a redução da permeabilidade a líquidos e gases, o aumento da proteção a agentes agressivos e o aumento da resistência a carbonatação [4-5]. O látex estireno-butadieno (SBR) apresenta-se, também, como um material que atua na melhoria de desempenho das propriedades relacionadas à durabilidade do concreto. De acordo com a teoria mais aceita entre os pesquisadores, essa melhoria de desempenho ocorre pelo efeito de preenchimento dos vazios capilares da matriz de cimento pelo polímero, assim como pela interação química entre algumas partículas de polímero e os íons Ca 2+ liberados durante o processo de hidratação do cimento, reduzindo, assim, a quantidade de Ca 2+ disponível para a formação do CH (Ca(OH) 2 ) [6-9]. Para melhor compreender a atuação conjunta do látex SBR e da sílica ativa na microestrutura da matriz de cimento, este trabalho apresenta uma análise do efeito desses materiais no teor de hidróxido de cálcio (CH) e na porosidade das pastas de cimento Portland. Para tanto, utilizou-se as técnicas de Porosimetria por Intrusão de Mercúrio (PIM) e Difratometria de Raios-X (DRX). As análises foram realizadas no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), em Lisboa, Portugal. Autor Responsável: João A. Rossignolo

2 ROSSIGNOLO, J.A., Revista Matéria, v. 1, n. 3, pp , MATERIAIS E MÉTODOS Os materiais utilizados para a produção das pastas foram: cimento Portland de alta resistência inicial (CPV ARI), com massa específica de 3,12 g/cm 3 e área específica Blaine de cm 2 /g; sílica ativa (SA) com massa específica de 2,21 g/cm 3, área específica de 18. cm 2 /g e teor de SiO 2 de 94,3%; superplastificante acelerador (melamina sulfonato formaldeídico) com massa específica de 1,11 g/cm 3 e teor de sólidos de 16,5%; e látex estireno-butadieno (SBR) com teor de sólidos de 5% e massa específica de 1,2 g/cm 3. Foram preparados 13 tipos de pastas de cimento Portland com relação água/aglomerante fixa igual a,4, conforme descrito no Tabela 1. A quantidade de água da relação a/agl refere-se à água total presente na pasta, inclusive a presente no superplastificante e no látex. Os valores da relação P/C (polímero/cimento) apresentados no Tabela 1 referem-se ao teor de sólidos do copolímero de estireno-butadieno presente no látex, em relação à massa de cimento. As pastas foram moldadas em corpos-de-prova cilíndricos de 2 mm de diâmetro e 5 mm de altura. Após a moldagem, os corpos-de-prova foram acondicionados em câmara úmida (23 ± 2ºC e 95 ± 5% UR) e desmoldados após 24 horas. Em seguida, os corpos-de-prova sem látex SBR permaneceram na câmara úmida por mais 27 dias e os com látex SBR por mais 6 dias. O procedimento de cura foi realizado segundo as recomendações de ROSSIGNOLO E AGNESINI [1]. Após o período de cura úmida, os corpos-de-prova foram envolvidos em um filme plástico e armazenados em uma sala climatizada (25 ± 3ºC e 6 ± 15% UR) até a realização das análises experimentais, que ocorrem aos 1 dias de idade das amostras. Para a determinação do volume e da variação dimensional dos poros nas pastas de cimento foi utilizada a técnica de Porosimetria por Intrusão de Mercúrio (PIM). Foram feitas 3 análises para cada tipo de pasta, realizadas pelo Grupo de Estudos de Rochas Ornamentais (GERO), no Departamento de Geotecnia do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), em Lisboa, segundo as recomendações da ASTM D e utilizando os equipamentos FILLING APPARATUS e AUTOSCAN5 da marca QUANTACHROME. Nas análises realizadas a pressão aplicada variou entre,2 e 35 MPa, o que possibilitou a análise dos poros com diâmetro entre,5 e 1 μm, aproximadamente. Tabela 1: Pastas utilizadas nos estudos de PIM e DRX. Pasta Sílica Ativa (%) Superplastificante (%) (SA) 1 P/C (%) (SPA) , - 1,5 3 1, - 1,5 4 15, - 1,5 5-2, , - 7-7, , , - 1 1, 2,5 1,5 11 1, 5, 1,5 12 1, 7,5 1,5 13 1, 1, 1,5 1 % em relação à massa de cimento. A avaliação do teor de hidróxido de cálcio (CH) nas pastas de cimento Portland foi realizada no Núcleo de Química (NQ) do Departamento de Materiais de Construção (DMC), Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), Lisboa, utilizando a técnica de Difratometria de Raios-X (DRX). Foi utilizado um difratômetro de Raios-X, da marca PHILIPS, modelo PW371, e gerador da marca PHILIPS, modelo PW183, com radiação de cobalto e intervalo de varredura de 3-74º (2θ). Utilizou-se varredura com passo de,5º2θ e tempo de coleta de 1 seg/passo. Foram realizadas 2 análises para cada tipo de pasta. 438

3 ROSSIGNOLO, J.A., Revista Matéria, v. 1, n. 3, pp , RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Porosimetria por Intrusão de Mercúrio (PIM) As Figuras 1 a 3 apresentam as relações entre a distribuição do tamanho dos poros e o volume dos poros para as 13 pastas estudas. Observa-se que as pastas com sílica ativa (Figura 1) apresentaram, em relação à pasta de referência, redução da quantidade de poros com diâmetro entre,2 e,5 μm e o aumento dos poros com diâmetro entre,25 e,5 μm. Este efeito foi crescente com o aumento do teor de sílica ativa nas pastas. A redução do diâmetro dos poros nas pastas com sílica ativa pode ser atribuída, essencialmente, ao preenchimento dos vazios capilares (efeito filler) e ao efeito pozolânico desta adição na matriz de cimento. Volume de Poros (%) (Ref) 2 (5%SA) 3 (1%SA) 4 (15%SA),1,1,1 1 Diâmetro do Poro (μm) Figura 1: Distribuição do diâmetro dos poros para as pastas 1, 2, 3 e 4. Volume de Poros (%) 18 1 (Ref) 16 5 (P/C=2,5%) 14 6 (P/C=5%) 12 7 (P/C=7,5%) 1 8 (P/C=1%) 8 9 (P/C=15%) 6 4 2,1,1,1 1 Diâmetro do Poro (μ m) Figura 2: Distribuição do diâmetro dos poros para as pastas 1, 5, 6, 7, 8 9. Nos resultados obtidos para as pastas com látex SBR, apresentado na Figura 2, observa-se que o efeito de redução do tamanho dos poros foi ainda mais acentuado do que o observado nas pastas com sílica ativa e que essa redução foi crescente com o aumento do teor de polímero, com exceção da pasta 9 (P/C=15%), que apresentou resultado semelhante à pasta 8 (P/C=1%). Em comparação à pasta de referência, observou-se nas pastas com látex SBR a redução significativa da quantidade de poros com diâmetro acima de,5 μm. Nas pastas 5, 6 e 7 observou-se um aumento expressivo da quantidade de poros com diâmetro entre,12 e,5 μm. Já nas pastas 8 e 9, que apresentaram resultados semelhantes, houve um aumento da quantidade de poros com diâmetro entre,5 e,25 μm. 439

4 ROSSIGNOLO, J.A., Revista Matéria, v. 1, n. 3, pp , 25. Volume de Poros (%) (Ref) 1 (P/C=2,5%+1%SA) 11 (P/C=5%+1%SA) 12 (P/C=7,5%+1%SA) 13 (P/C=1%+1%SA),1,1,1 1 Diâmetro do Poro (μ m) Figura 3: Distribuição do diâmetro dos poros para as pastas 1, 1, 11, 12 e 13. A redução da porosidade e do tamanho dos poros na matriz de cimento modificada com látex SBR, segundo OHAMA [8], ocorre, principalmente, devido ao preenchimento dos vazios pelo filme polimérico durante o processo de coalescência do látex. Dentre as pastas analisadas, as que utilizaram conjuntamente sílica ativa e látex SBR foram as que apresentaram maior eficiência na redução do tamanho dos poros (Figuras 3). As quatro pastas com sílica ativa e látex SBR apresentaram, em relação à pasta de referência, redução significativa da quantidade de poros com diâmetro entre,25 e,25 μm e aumento da quantidade de poros com diâmetro entre,5 e,25 μm. 3.2 Difratometria de Raios-X (DRX) A técnica de Difratometria de Raios-X (DRX) foi utilizada para a análise das 13 pastas descritas no Tabela 1 com 1 dias de idade. A Figura 4 apresenta o difratograma obtido para a pasta de referência (1) e o Tabela 2 apresenta a legenda das fases identificadas no difratograma. A avaliação comparativa do teor de CH nas pastas estudadas foi feita por meio da análise dos valores do pico característico 2θ = 18,1º, apresentados na Figura 5. Nas pastas com adição de sílica ativa (2 a 4 Figura 5) observou-se a redução acentuada da quantidade de CH, efeito atribuído ao efeito filler e às reações pozolânicas da sílica ativa na matriz de cimento. O efeito de preenchimento da sílica ativa reduz a quantidade de vazios da matriz de cimento, diminuindo e limitando, assim, a precipitação do hidróxido de cálcio em grandes cristais. A reação pozolânica que se desenvolve pela reação entre a sílica ativa e o CH, produzindo silicato de cálcio hidratado, reduz a quantidade de CH livre na matriz de cimento [4-5]. Intensidade (CPS) Pasta 1 ( Referência ) Ângulo 2θ Co kα Figura 4: Difratograma de Raios-X da pasta 1 44

5 ROSSIGNOLO, J.A., Revista Matéria, v. 1, n. 3, pp , 25. Tabela 2: Legenda das fases identificadas nas análises de DRX. Símbolo CH F CA S C E Fase Hidróxido de Cálcio Ferrita Anidra Carboaluminato Silicato Anidro (Alita e Belita) Calcita Etringita Nas pastas modificadas com SBR (5 a 9 Figura 5) também foi observada a redução do teor de CH. Segundo AFRIDI et al. [7] e OLLITRAULY-FICHET et al. [9] a redução da quantidade de hidróxido de cálcio nas pastas modificadas com SBR ocorre, principalmente, pelo efeito do aprisionamento dos íons Ca 2+ livres, liberados no processo de hidratação do cimento, pelo grupo carboxílico da dispersão polimérica no meio aquoso da pasta no estado ainda fresco. Esse efeito provoca a redução da quantidade dos íons bivalentes de Ca livres para a produção do CH. Dentre as pastas analisadas, observou-se que a redução da quantidade de CH foi mais acentuada nas pastas que utilizaram conjuntamente sílica ativa e SBR (1 a 13 Figura 5), indicando, assim, a associação dos benefícios de cada adição na redução do teor de CH na matriz de cimento, conforme descrito anteriormente. Intensidade pico CH (CPS) (18,1º - 2 θ Co kα ) Tipo de Pasta 1 - Referência 2-5%SA 3-1%SA 4-15%SA 5 - P/C=2,5% 6 - P/C=5% 7 - P/C=7,5% 8 - P/C=1% 9 - P/C=15% 1 - P/C=2,5%+1%SA 11 - P/C=5%+1%SA 12 - P/C=7,5%+1%SA 13 - P/C=1%+1%SA Figura 5. Valor do pico de CH em 18.1º (2θ) para as pastas analisadas 4 CONCLUSÕES Os resultados desse estudo possibilitaram observar que a utilização conjunta de sílica ativa e látex SBR promovem a redução significativa do tamanho dos poros capilares e do teor de CH na matriz de cimento Portland. Esses resultados ajudam a compreender a melhoria de desempenho de algumas propriedades dos concretos, como a redução da permeabilidade, com a utilização conjunta desses materiais. 5 AGRADECIMENTOS O autor agradece à Fundação de Apoio à Pesquisa do Estado de São Paulo - FAPESP, o suporte financeiro desta pesquisa, assim como ao Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) de Lisboa, Portugal, o apoio na realização das análises experimentais. 441

6 ROSSIGNOLO, J.A., Revista Matéria, v. 1, n. 3, pp , REFERÊNCIAS [1] ROSSIGNOLO, J.A., AGNESINI, M.V.C., Durability of polymer-modified lightweight aggregate concrete, Cement and Concrete Composites, v. 26, pp , 24. [2] ROSSIGNOLO, J.A., Concreto Leve de Alto Desempenho Modificado com SBR para Pré-Fabricados Esbeltos - Dosagem, Produção, Propriedades e Microestrutura, D.Sc. Tese, Universidade de São Paulo, São Carlos, Brasil, 23. [3] ROSSIGNOLO, J.A., AGNESINI, M.V.C., Mechanical Properties of Polymer-Modified Lightweight Aggregate Concrete, Cement and Concrete Research, v. 32, pp , 22. [4] AÏTCIN, P.C. Concreto de alto desempenho, Ed. PINI, São Paulo, 2. [5] MONTEIRO, P.J.M., Caracterização da Microestrutura do Concreto: Fases e Interfaces; Aspectos de Durabilidade e de Microfissuração, M.Sc. Tese, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, Brasil, [6] BEN-DOR, L., HEITNER-WIRUIN, C., DIAB, H., The Effect of Ionic Polymers on the Hydration on C 3 S, Cement and Concrete Research, v. 15, pp , [7] AFRIDI, M.U.K., Behavior of Ca(OH) 2 in Polymer Modified Mortars, The International Journal of Cement Composites and Lightweight Concrete, v. 11, n. 4, pp , [8] OHAMA, Y., Polymer-based Admixtures, Cement and Concrete Composites, v. 2, 1998, pp [9] OLLITRAULY-FICHET, R., Microstructural Aspects in a Polymer-Modified Cement, Cement and Concrete Research, v. 28, n. 12, 1998, pp [1] ROSSIGNOLO, J.A., AGNESINI, M.V.C., Effect of Curing Condition on Properties of Polymer- Modified Lightweight Concrete, Composites in Constructions, A. A. Balkema Publishers, Porto, v. 1, pp ,