Camilo Mizumoto (1); Flávio Moreira Salles (2) (1) Engenheiro da Leonardi Construção Industrializada Ltda

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1 Efeitos da aplicação de escória granulada de alto forno em diferentes finuras em composições de argamassa Effects of granulated blast furnace slag in different fineness in mortar composition Camilo Mizumoto (1); Flávio Moreira Salles (2) (1) Engenheiro da Leonardi Construção Industrializada Ltda (2) Supervisor do Núcleo de Tecnologia do Concreto, Companhia Energética de São Paulo CESP. Resumo Laboratório CESP de Engenharia Civil - Núcleo de Tecnologia do Concreto Av. Perimetral s/n, Cx. Postal 145 A aplicação de produto pozolânico em composições de concreto tem sido prática usual em obras onde os estudos preliminares indicam a potencialidade dos agregados para a reação álcali-agregado (RAA). Essa aplicação está condicionada à sua eficiência para inibir o processo expansivo da reação e à sua disponibilidade no local do empreendimento, em situações vantajosas de custo e benefício. Os produtos pozolânicos existentes para emprego no concreto têm desempenhos diferentes por suas características próprias e pelas diversas condições apropriadas das misturas. Com o intuito de registrar os efeitos em argamassas produzidas com adições de escória de alto forno, em finuras variadas, este artigo apresenta os resultados obtidos em estudo desenvolvido em laboratório, com verificação do potencial de inibição da RAA e do desempenho mecânico. Palavra-Chave: Argamassa; Escória de alto-forno; Finura; Reação álcali-agregado; Inibidor Abstract The application of pozzolanic product in concrete compositions has been common practice in works where preliminary studies indicate the potential of aggregates to alkali-aggregate reaction (AAR). This application is subject to its efficiency to inhibit the expansive process of reaction and their availability at the project site, on advantageous terms of cost and benefit. Pozzolanic products available for employment in the concrete have different performances by its own characteristics and appropriate conditions of the various mixtures. In order to record the effects on mortars with additions of blast furnace slag in varying fineness, this article presents the results on a study conducted in the laboratory, to verify the potential to inhibition of AAR and mechanical performace. Key-words: Mortar; Blast furnance slag; Fineness; Alkali-aggregate reaction, Inhibitor ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 1

2 1 Introdução O emprego de produtos pozolânicos em concretos tem o intuito de proporcionar a melhora de suas propriedades, tanto na reologia da mistura no estado fresco quanto no comportamento mecânico e durabilidade no estado endurecido. Dentre os produtos pozolânicos conhecidos, a escória de alto forno caracteriza-se por sua aplicação em composição do cimento portland e na constituição do concreto para mitigação da reação álcali-agregado. A escória granulada de alto-forno é um sub-produto gerado na fabricação do gusa em alto-forno, onde a fusão da ganga (minério de ferro+impurezas) e dos fundentes (coque ou carvão vegetal) geram por meio de reações químicas a escória. Durante o processo de produção em alto forno, o produto gerado é uma mistura heterogênea de ferro gusa e a escória em alta temperatura, sendo separadas em função das diferenças de densidade: o gusa apresenta densidade superior a 7g/cm³ e a escória com densidade em torno de 2,8g/cm³. Dessa maneira, a escória flutua no topo do ferrogusa, podendo ser drenada separadamente em intervalos regulares. Figura 1: Representação esquemática do alto forno (JACOMINO et al., 2002) Segundo Jacomino, et.al. (2002), para que a escória possua atividade hidráulica, ela deve apresentar-se no estado amorfo. Este disposição química é obtida por de um resfriamento rápido, na qual a escória no estado líquido a 1500ºC atinge a temperatura de 200 ºC, ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 2

3 evitando associações dos átomos segundo as próprias afinidades (estado cristalino). Este resfriamento brusco da escória líquida é conhecido como granulação. A escória granulada é um produto que possui propriedades hidráulicas para uso como adição no concreto, sendo necessários tratamentos de moagem e estudos laboratoriais para determinação da finura ideal que atenda um melhor desempenho de aplicação. Neste contexto, o presente trabalho visa realizar estudos de finura variável em uma escória granulada de alto forno, para verificação de potencial de aplicação. 2 Materiais No presente estudo foram empregados os materiais descritos abaixo: ESCÓRIA DE ALTO FORNO Granulada: proveniente da região centro-oeste CIMENTO PORTLAND Cimento Portland Cauê CP II F-32 Cimento Portland Cauê CP V-ARI AGREGADOS Basalto: Pedreira Três Fronteiras 3 Programa de ensaios Foi desenvolvido um programa de ensaios, com metodologias e procedimentos destacados a seguir: 3.1 Cimento Portland Foram realizados os ensaios de caracterização físico-quimica dos cimentos CP II F-32 e CP V-ARI de acordo com as prescrições normativas da NBR e NBR Preparo de amostras em finuras variáveis A escória granulada foi submetida a moagem em britador de bolas, sendo preparadas amostras em faixas distintas de superfície específica Blaine: Amostra A: 2.500±200 cm²/g; Amostra B: 3.500±200 cm²/g; Amostra C: 4.500±200 cm²/g; e Amostra D: 5.500±200 cm²/g ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 3

4 3.3 Ensaios de caracterização física Para cada uma das amostras estudadas, foram realizados os ensaios físicos apresentados abaixo: Massa específica; Finura Blaine; Atividade pozolânica: o Atividade com cal; o Água requerida; 3.4 Análise Química Foram realizados os seguintes ensaios de análise química da escória granulada: Determinação dos seguintes componentes químicos: CaO, SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3, SO 3, MgO, K 2 O, Na 2 O e TiO 2 ; Perda ao Fogo (PF), segundo a NBR 5745, estabelecendo-se um préaquecimento da amostra a 100ºC e uma temperatura de calcinação de 800ºC; Resíduo Insolúvel (RI), segundo a NBR 5744, determinando-se para amostra seca e moída até não deixar resíduo na peneira 75 m. 3.5 Ensaios de caracterização mecânica Estudo de desempenho do inibidor Para cada uma das amostras de escória, realizou-se a moldagem corpos-de-prova de dimensão 5x10cm de argamassa preparadas com teores de substituição de 20%, 35% e 60% em composição com o cimento CP V ARI (em massa). Adicionalmente foi moldado um traço padrão (sem adição) para comparação com as demais misturas. Foram estabelecidos ensaios de consistência normal das argamassas e resistência à compressão axial nas idades de 7, 14, 28, 56 e 90dias. Estes ensaios foram realizados conforme prescrição normativa da NBR 7215 (ABNT, 1997) Ensaio acelerado com soda Este ensaio teve o intuito de avaliar a hidraulicidade da escória em estudo. O processo de hidratação baseou-se no emprego de soda caústica na constituição de argamassa composta com escória em condições de temperatura estabelecidas. Para a realização deste ensaio, foram empregados os seguintes materiais: Escória moída (Blaine de 3500cm²/g); Areia padrão IPT; Solução de NaOH (concentração 200mg/l) ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 4

5 Foi realizado o preparo de 06 corpos-de-prova cilíndricos de dimensão 5,0cm x 10,0cm a partir do preparo dos materiais nas quantidades estabelecidas na Tabela 1: Tabela 1: Massa do agregado miúdo 06 CP s Escória (g) Solução de NaOH (g) 653,34 326,67 Peneira % Areia Padrão IPT Massa (g) Massa Acumulada (g) Total Após a moldagem dos corpos-de-prova cilíndricos realizou-se a vedação da face superior para evitar a perda de umidade, sendo as amostras acondicionadas em estufa nas temperaturas de 23 C e 55 C, por respectivamente 48h e 24h. Posteriormente, realizouse a desforma e ruptura axial imediata. (A) (B) (C) Figura 1: Ensaio acelerado com soda. A) desforma de CP, (B) Capeamento e (C) Ensaio de ruptura 3.6 Ensaio de reatividade potencial em barras de argamassa Foram realizados estudos de reatividade potencial em barras de argamassa para avaliação do potencial de inibição das amostras de escórias. Para tanto foi realizada a avaliação do potencial reativo do agregado basáltico em combinação com o cimento CP II F-32 para confirmação da potencialidade reativa do agregado. ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 5

6 Em seguida, para cada amostra de escória, realizou-se a moldagem de uma série de barras de argamassa empregando teores de substituição de 25% e 40%, para verificação do desempenho das mesmas na inibição da reatividade do agregado. 4 Resultados e comentários 4.1 Cimento Portland Na Tabela 2 apresentam-se as análises físico-químicas dos cimentos Portland CP II-F-32 e CP V-ARI: Tabela 3 Análise físico-química dos cimentos. Material Cimento CP II F-32 Cimento CP V-ARI Data da coleta Finura Peneira 200 Finura Peneira 325 Superfície específica Blaine Densidade aparente Densidade absoluta Água de consistência da pasta Resistência à Compressão Axial Análise Química (%) 3,02 0,16 13,12 1, ,02 0,98 3,08 3,12 gramas (%) 27,8 29,4 Início de pega (h:min) 04:35 02:15 Fim de pega (h:min) 05:55 03:55 Expansão em autoclave (%) 0,07-0,011 Consistência da argamassa (% retida) (% retida) (cm²/g) (g/cm³) (g/cm³) Data de moldagem Tensão (MPa) gramas a / c 0,48 0, dias 20,6 34,1 07 dias 30,9 41,1 28 dias 34,6 47,3 Perda ao fogo 6,51 3,03 Resíduo Insolúvel 0,27 0,20 SiO 2 18,93 19,04 Fe 2 O 3 2,87 3,23 Al 2 O 3 5,73 5,01 CaO 61,71 64,03 MgO 1,36 1,74 SO 3 2,32 3,11 Na 2 O 0,31 0,13 K 2 O 0,48 0,84 Equivalente alcalino Na 2 O Cal livre em CaO 0,63 0,68 3,03 3,19 Os resultados indicaram que os cimentos estudados apresentam-se dentro dos padrões normativos estabelecidos pela ABNT. ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 6

7 4.2 Caracterização físico-quimica Segue apresentados os resultados de caracterização física da escória granulada: Amostra Tabela 3: Caracterização física das amostras de escória Finura Blaine (cm²/g) Tempo de moagem no moinho de bolas (min) Massa espec. (g/cm³) # 325 (%) Faixa estabelecida Resultado A 2.500± ,91 15,80 B 3.500± ,91 2,36 C 4.500± ,91 0,88 D 5.500± ,91 0,36 Tabela 4: Resultados do ensaio de atividade com cal Amostra Água Flow Tensão média Requerida (g) (mm) (MPa) A ,94 B ,00 C ,59 D ,66 Os resultados de caracterização física das escórias, indicaram para obtenção de finura Blaine elevadas (C e D) houve um maior tempo de moagem em relação as faixas de finuras inferiores a 3500 cm²/g. No ensaio de atividade com cal, notou-se um incremento de resistência nas amostras com maior superfície específica (Blaine). Tabela 5: Resultados da caracterização química da escória granulada Ensaio Resultado Perda ao fogo 0,30 Resíduo Insolúvel 1,39 SiO 2 40,99 Fe 2 O 3 1,41 Al 2 O 3 21,40 CaO 33,68 MgO 0,83 SO 3 0,16 Na 2 O (Álc. Disponível) * 0,23 K 2 O (Álc. Disponível) * 2,05 Eq. Alcal. Na 2 O (álc.disp.) * 1,58 SiO 2 +Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 62,39 IB1** 1,36 IB2*** 0,82 (*) Álcalis total CaO MgO Al2O3 (**) IB1 Índice de basicidade - norma brasileira NBR 5735/91 I 1 SiO (***) IB2 Relação cal/ silica i = CaO/SiO 2 2 ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 7

8 As análises químicas indicaram que a escória granulada caracterizou-se como básica (I>1), atendendo o requisito especificado pela NBR 5735 (ABNT, 1991). 4.3 Caracterização mecânica Estudo de desempenho Na Tabela 6 e nas Figuras de 2 a 4 seguem apresentados os resultados de resistência a compressão em argamassas compostas com as amostras de escória em diferentes teores. Tabela 6: Resultados de resistência em argamassa Amostra Teor de substituição Resistência a compressão axial 7dias 14dias 28dias 90dias Padrão 0% 43,2 45,1 50,1 50,9 20% 36,4 40,8 42,1 46,2 Escória A 35% 27,3 35,3 40,4 43,0 60% 17,3 23,5 29,6 36,6 20% 39,4 45,8 47,8 49,9 Escória B 35% 34,1 40,3 41,1 43,0 60% 21,2 32,8 37,6 43,0 20% 42,8 45,4 50,1 49,2 Escória C 35% 33,5 43,0 51,0 49,6 60% 19,1 28,0 39,5 38,3 20% 42,8 47,9 49,7 50,0 Escória D 35% 38,9 44,3 49,8 48,2 60% 38,6 44,3 48,1 48,8 Figura 2 Desempenho das amostras de escória: teor de 20% de substituição ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 8

9 Figura 3 Desempenho das amostras de escória: teor de 35% de substituição Figura 4 Desempenho das amostras de escória: teor de 60% de substituição Os resultados de resistência apresentados indicaram para um teor de substituição de 20%, a escória A (menor finura) mostrou uma diminuição do nível de resistência ao longo do tempo quando comparada com as demais misturas de argamassa. No teor de 35% de substituição apenas as escórias C e D indicaram a partir dos 14 dias níveis de resistência similares a mistura de argamassa padrão. Ao passo que, para o teor de 60% de substituição, somente a amostra de escória D atingiu um desempenho de resistência similar ao padrão. Dessa maneira, notou-se que para os teores de substituição estudados a amostra com elevada finura (amostra D) mostrou um desempenho favorável para manutenção do nível ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 9

10 de resistência quando realizada a redução do consumo de cimento na composição da argamassa Ensaio acelerado com soda O ensaio acelerado com soda foi realizado com a amostra granulada em estudo e, para uma análise comparativa também foi realizado o preparo de uma amostra de escória padrão no mercado nacional. Os resultados de resistência a compressão axial seguem apresentados na Tabela 5. Tabela 5: Resultados de resistência em argamassa ensaio acel. soda Amostra Tensão de ruptura (MPa) Temp. 23 C 48h Temp. 55 C 24h Escória (estudo) 7,2 9,0 Escória (padrão) 12,7 11,3 Limite 9,0 11,0 11,0 14,0 Os resultados indicaram que a escória em estudo apresentou resultados de resistência inferiores ao limite indicado em escórias de boa qualidade. 4.4 Reatividade álcali-agregado Os resultados de reatividade em barras de argamassa com o cimento CP II F-32 com as amostras de escória em teores estabelecidos seguem apresentados nas Tabelas 6 e nas Figuras 5 a 8. Tabela 6: Resultados de expansão com as amostras de escória combinadas ao cimento CP II F-32 Idade de Cura Expansão Média (%) em Solução s/ adição Escória A Escória B Escória C Escória D Agressiva (Dias) (0%) (25%) (40%) (25%) (40%) (25%) (40%) (25%) (40%) 2 0,005 0,005 0,003 0,001 0,000 0,001 0,000 0,009 0, ,014 0,011 0,006 0,003 0,000 0,004 0,001 0,011 0, ,037 0,027 0,009 0,011 0,001 0,011 0,001 0,015 0, ,093 0,054 0,012 0,019 0,003 0,020 0,002 0,021 0, ,177 0,111 0,021 0,039 0,007 0,038 0,007 0,033 0, ,210 0,135 0,022 0,054 0,007 0,053 0,008 0,039 0, ,236 0,158 0,028 0,078 0,010 0,073 0,009 0,049 0, ,258 0,174 0,035 0,105 0,013 0,098 0,010 0,071 0, ,270 0,183 0,040 0,120 0,012 0,113 0,011 0,086 0, ,281 0,192 0,048 0,134 0,016 0,128 0,012 0,102 0, ,289 0,207 0,062 0,152 0,020 0,146 0,018 0,124 0, ,298 0,211 0,072 0,164 0,024 0,158 0,021 0,137 0,027 ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 10

11 Expansão Média (%) Expansão Média (%) 0,350 0,300 NBR ,250 0,200 0,150 0,100 0,050 Agregado potencialmente reativo Agregado potencialmente inócuo 0, Idade de Cura em Solução Agressiva (Dias) Basalto A - Cimento CP II-F (100%) Basalto A - Cimento CP II-F (75%) - Escória A (25%) Basalto A - Cimento CP II-F (60%) - Escória A (40%) Especificação NBR Figura 5 Ensaio de reatividade: Basalto, Cimento CP II-F e Escória com Blaine ,350 0,300 NBR ,250 0,200 0,150 0,100 0,050 Agregado potencialmente reativo Agregado potencialmente inócuo 0, Idade de Cura em Solução Agressiva (Dias) Basalto A - Cimento CP II-F (100%) Basalto A - Cimento CP II-F (75%) - Escória B (25%) Basalto A - Cimento CP II-F (60%) - Escória B (40%) Especificação NBR Figura 6 Ensaio de reatividade: Basalto, Cimento CP II-F e Escória com Blaine 3500 ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 11

12 Expansão Média (%) Expansão Média (%) 0,350 0,300 NBR ,250 0,200 0,150 0,100 0,050 Agregado potencialmente reativo Agregado potencialmente inócuo 0, Idade de Cura em Solução Agressiva (Dias) Basalto A - Cimento CP II-F (100%) Basalto A - Cimento CP II-F (75%) - Escória C (25%) Basalto A - Cimento CP II-F (60%) - Escória C (40%) Especificação NBR Figura 7 Ensaio de reatividade: Basalto, Cimento CP II-F e Escória com Blaine ,350 0,300 NBR ,250 0,200 0,150 0,100 0,050 Agregado potencialmente reativo Agregado potencialmente inócuo 0, Idade de Cura em Solução Agressiva (Dias) Basalto A - Cimento CP II-F (100%) Basalto A - Cimento CP II-F (75%) - Escória D (25%) Basalto A - Cimento CP II-F (60%) - Escória D (40%) Especificação NBR Figura 8 Ensaio de reatividade: Basalto, Cimento CP II-F e Escória com Blaine 5500 Os ensaios de reatividade indicaram que as amostras de escória combinadas ao cimento CP II F-32 possibilitaram a inibição da reatividade agregado basáltico no teor de substituição de 40%. Contudo, para 25% de substituição de escória notou-se que o comportamento de inibição esteve relacionado a finura das amostras, visto que limite de comportamento reativo de 0,100 % foi atingido nas últimas idades do ensaio em amostras com finura elevada. Adicionalmente, foi realizada uma série de moldagens com os cimentos CP V-ARI e CP II F-32, empregando-se 30% de adição de escória nacional (padrão) e a escória A, ambas ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 12

13 Expansão Média (%) as amostras apresentam-se com superfície específica em torno de 2500cm²/g. Os resultados seguem apresentados na Figura 9. 0,400 0,350 0,300 0,250 Agregado potencialmente reativo NBR ,200 0,150 0,100 0,050 0,000 Agregado potencialmente inócuo Idade de Cura em Solução Agressiva (Dias) Cim. Cauê CP ll-f % Esc.(padrão) Cim. Cauê CP V-ARI + 30% Esc. (padrão) Especificação NBR Cim. Cauê CP ll-f % Esc. (estudo) Cim. Cauê CP V-ARI + 30% Esc. (estudo) Figura 9 Ensaio de reatividade: Basalto, Cimento CP II-F e Escória com Blaine 5500 A partir deste ensaio, notou-se que a escória nacional apresentou melhor desempenho em termos de redução da expansão da RAA em ambos os cimentos. 5 Considerações finais Faz-se os seguintes comentários a cerca dos procedimentos de ensaios e seus resultados: As amostras com maior superfície específica (C e D) atingiram desempenhos favoráveis em argamassas, indicando a manutenção de resistência em 35% de substituição ao cimento. Todas as amostras de escória moídas indicaram o teor mínimo de 40% de adição para inibição da reação álcali-agregado. Em termos de aplicação a escória C, com faixa de finura de 4.500±200 cm²/g apresentou-se maior viabilidade de utilização, em virtude do tempo de moagem e desempenho atingido nos testes. Os ensaios comparativos com a escória nacional (padrão) indicaram que a escória em estudo apresentou um desempenho inferior em termos de hidraulidacidade (ensaio acelerado com soda) e potencial de inibição da RAA, sendo necessário uma avaliação no processo de produção com novos testes de avaliação. ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 13

14 6 Referências Bibliográficas ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5735: cimento Portland de alto-forno. Rio de Janeiro, NBR Cimento Portland - Determinação da resistência à compressão, Rio de Janeiro, NBR Cimento Portland composto - Especificação, Rio de Janeiro, NBR Cimento Portland de alta resistência inicial, Rio de Janeiro, 1991 BATAGIN, A. F.; ESPER. M.W. Contribuição ao conhecimento das propriedades do cimento Portland de alto-forno. São Paulo: ABCP,1988. JACOMINO, V. M. F. et al.. Controle ambiental das indústrias de produção de ferrogusa em altos-fornos a carvão vegetal. Belo Horizonte: Projeto Minas Ambiente, p. ISBN: MASSUCATO, C. J. Utilização de Escória de Alto-Forno à Carvão Vegetal como Adição no Concreto f. Dissertação (Mestrado) Programa de pós-graduação da Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Universidade Estadual de Campinas, Campinas, ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC CBC 14