8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

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1 8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 27 EFEITO DA ADIÇÃO DE AREIA E REJEITO PLASTICO NO COMPORTAMENTO MECÂNICO E NA MICROESTRUTURA DO CONCRETO CELULAR Freitas I. M., *Allende K. A.; DARWISH, F. A. Universidade Federal Fluminense, Rua Passo da Pátria, 156, Niterói, R. J., Brasil * katiallende@terra.com.br RESUMO O presente artigo se refere a um estudo de otimização das propriedades mecânicas e volume de produção do concreto celular orgânico, para uma dada quantidade de cimento sem modificar a razão espuma/cimento. A espuma foi gerada através da agitação mecânica de aditivo e água à matriz de controle de concreto celular foi obtida adicionando-se cimento a espuma. Outras vinte misturas foram produzidas adicionando-se à matriz de controle areia e rejeito plástico, dentre elas, quatro foram selecionadas para analisar o tamanho das células no Microscópio Eletrônico de Varredura: a composição do interior das células, com Raios-X; a determinação da distribuição e o tamanho dos poros interconectados, com o Porosímetro de Mercúrio. O volume dos poros fechados foi estimado através da fração dos poros interconectados e da densidade real obtida com o Picnometro de Helio. A resistência à compressão e o modulo de elasticidade são correlacionados com a densidade e com o volume do concreto celular produzido para a definição da mistura ótima. PALAVRAS-CHAVE: concreto leve; concreto celular, microestrutura, porosidade 942

2 INTRODUÇÃO O concreto celular é um concreto leve constituído de poros com diâmetro variável de,1 a 1 mm, uniformemente distribuídos na pasta de cimento. A estrutura alveolar é obtida a través da incorporação de bolhas de ar estáveis na pasta de cimento por meio da agitação de aditivo e água. A esta matriz podem ser adicionados agregados. O produto final apresenta resistência mecânica compatível com suas utilizações como concreto leve, tais como blocos, placas pré-moldadas para alvenarias, enchimento e regularização de lajes a serem impermeabilizadas. Considerando que a sua grande vantagem é sua leveza, o concreto celular também possui algumas características atrativas, tais como excelente resistência ao congelamento/descongelamento, como também boa isolação térmica e acústica. O concreto celular teve sua primeira patente registrada por Hoffmam, em 1889, conforme L. A. Legatsky [1], onde a produção de bolhas era feita por um agente gerador de gás através da reação química entre o ácido clorídrico e o bicarbonato de sódio. Em 1917, na Holanda, uma segunda patente foi registrada, a qual utilizava leveduras orgânicas para liberação gasosa. Em 1923, Bayer e Ericsson já produziam concretos celulares espumosos a partir de cola vegetal, gelatina, formaldeídos e sabões de resina (sem cura a vapor). Somente em 1934, o concreto celular teve destaque mundial com o Siporex, um produto baseado na patente de Eklung, onde a aeração da mistura era obtida por um agente químico metálico (com cura a vapor). O estudo do concreto celular iniciou em 194, como referenciado por L. A. Legatsky [1], na publicação de L. M. Legatsky [2], que escreveu um capítulo sobre o assunto no ASTM STP 169B. Destacam-se também outras publicações no American Concrete Institute ACI, [3,4]. Mais recentemente, Maire et al [5] usaram o tomógrafo de Raio-X para caracterizar materiais celulares, focando-se na relação entre sua estrutura e suas propriedades. Tikalsky [6], por outro lado, estudou o concreto celular quanto à melhoria da durabilidade em função da resistência ao congelamento/descongelamento. O uso do concreto celular no Brasil começou no início dos anos 7. O estudo de suas propriedades somente foi pesquisado mais tarde, em 1987, por Ferreira [7] e em 1992, com o estudo experimental de Teixeira Filho [8], que adicionou areia à matriz de concreto celular, obtendo melhorias nas propriedades mecânicas, especialmente na resistência à compressão, de acordo com o aumento da massa específica. Em 24, Freitas et al [9] analisaram a influência de dois diferentes aditivos (orgânico e inorgânico) quanto à produção e resistência mecânica de concretos celulares adicionados de areia e agregados leves. Também em 24, Freitas el al [1], analisou as misturas de concreto celular quanto ao volume de produção e a variação das propriedades mecânicas de concreto celulares produzidos com adição de areia e cinasita. O presente estudo foi iniciado num esforço para otimizar a produção da mistura de concreto celular e determinar a fração volumétrica de vazios da estrutura. As misturas foram feitas usando um aditivo promotor de espuma orgânico, cimento, agregado leve (rejeito plástico) e agregado pesado (areia). Vinte misturas inicialmente produzidas, foram analisadas segundo suas propriedades mecânicas. Cindo destas misturas foram selecionadas segundo o aumento de volume de produção e resistência à compressão. Análise com microscópio eletrônico de varredura, MEV, medições porosimétricas e picnométricas foram usadas no estudo da estrutura do concreto endurecido para a determinação da fração volumétrica dos poros interconectados e não conectados. MATERIAIS E PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS Numa fase inicial, as diferentes matrizes sem adições de rejeito plástico, ou seja, séries de controle de concreto celular, fator água/cimento de,7, 1,7% de aditivo promotor de espuma orgânico em relação à quantidade de água e quatro adições de areia com fatores, em peso, em relação á quantidade de cimento, f ar/c, de,;,4; ;8 e 1,2. Ainda nesta fase, outras quatro misturas foram produzidas para cada grupo de matrizes de controle, adicionando-se rejeito plástico nas proporções de 3, 45, 6 e 75% do peso de cimento, definindo o fator rejeito plástico/cimento, f rp/c. Produziu-se um total de vinte misturas (Tabela 1), denominadas por uma letra referente ao aditivo, N, uma outra letra, P, referente à adição do rejeito plástico e duas numerações. O primeiro numeral refere-se à ordem crescente da quantidade de adição de areia e o segundo a ordem crescente da quantidade de rejeito plástico adicionado. Numa segunda fase, foram produzidas mais cinco misturas de mesmo traço das misturas já produzidas e selecionadas (em negrito na tabela 1) com o dobro da quantidade de materiais. A resistência mecânica e o aumento de volume de produção,, foram utilizados como formas de seleção destas misturas. O objetivo foi avaliar a influência do peso próprio da mistura na dinâmica da formação dos poros. Estas misturas tiveram a letra G acrescida em suas nomenclaturas. Utilizou-se o cimento Portland CP II composto com escória de alto forno, de resistência mínima à compressão aos vinte e oito dias de 32 MPa. O rejeito plástico usado como agregado leve consiste em uma mistura de polímeros termofixos e termoplásticos, os quais se apresentam inertes ao processo químico de hidratação do cimento. Este material tem o diâmetro máximo das partículas de 6,3 mm e massa específica aparente de 355 kg/m 3. É proveniente de aparas e sobras do processo de fabricação de kits de soro de uma indústria farmacêutica. A areia

3 utilizada foi peneirada para limitar o diâmetro máximo em 1,18 mm e possui a densidade aparente de 124 kg/m 3. São apresentados na Fig. 1(a) os aspectos macroscópicos da distribuição espacial deste material na mistura PN25G endurecida. Foram moldados corpos de prova 15 mm x 3 mm, desmoldados após 24h e curados sob imersão em água por 56 dias. Torna-se importante mencionar, que a grande fluidez das misturas de concreto facilitou o processo de moldagem dos corpos de prova. Fotografia em tamanho natural (a) (b) Figura 1 Aspecto macroscópico da distribuição das partículas de rejeito plástico na mistura PN25G (a) imagem da superfície de fratura feita no MEV Tabela 1 Traços das misturas da primeira fase de ensaios Fator f ar/c =, Fator f ar/c =,4 Fator f ar/c =,8 Fator f ar/c = 1,2 Fator f rp/c =, N1 N11 N21 N31 Fator f rp/c =,3 PN2 PN12 PN22 PN32 Fator f rp/c =,45 PN3 PN13 PN23 PN33 Fator f rp/c =,6 PN4 PN14 PN24 PN34 Fator f rp/c =,75 PN5 PN15 PN25 PN35 RESULTADOS E ANÁLISES A caracterização das propriedades mecânicas do concreto celular endurecido, resistência à compressão, f c, e módulo de elasticidade, E, foram determinadas segundo as recomendações da ABNT, NBR 5739 [1] e NBR 8522 [11]. Também foram determinados os índices de absorção, Ia(%), a massa específica seca, γ s (kg/m 3 ) e o aumento de volume de produção, para as vinte misturas da primeira fase de ensaios, Fig. 2. Os valores de f c e γ sat das misturas produzidas na segunda fase de ensaios são apresentados na Tab. 2. Tabela 2 Resultados das misturas produzidas com 5 kg de cimento (2a fase de ensaios) e 25 kg de cimento Peso de cimento (kg) Mixes f c (MPa) E (GPa) γ sat (kg/m 3 ) N1 G 1,78 * 166 PN14 G 2,3 1, PN24 G 2,73 2, PN34 G 3,67 3,7 128 PN25 G 3,47 2, N1 1,71 1, PN14 2,5 1, PN24 2,22 1, PN34 3,64 2, PN25 2,16 1,

4 Propriedades físicas e mecânicas Fator areia/cimento =, ,15,3,45,6,75 Fator rejeito plástico/cimento f fc (kgf/cm2) c (MPa) x 1-2 γsγ s (kg/m3) 3 ) E (Gpa) E (GPa x 1-2 ) Propriedades físicas e mecânicas Fator areia/cimento =, ,15,3,45,6,75 fc f c (MPa) (kgf/cm2) x 1-2 γs γ s (kg/m 3 (kg/m3) ) E (Gpa) (GPa) x 1-2 Fator rejeito plástico/cimento Propriedades físicas e mecânicas Propriedades físicas e mecânicas Fator areia/cimento =,8 fc/c =,8 2,15,3,45,6,75 1 Fator rejeito plástico/cimento fc fc (kgf/cm2) f c (MPa) x 1-2 Propriedades físicas e mecânicas Fator areia/cimento = 1,2 fc f c (kgf/cm2) (MPa) x 1-2 γs (kg/m3) γ s (kg/m 3 ) 4 γsγ s (kg/m3) ) 3 γs (kg/m3) 2 1,15,3,45,6,75 E (GPa) E (GPa) x 1-2 E E (GPa) (GPa) x 1-2 Fator rejeito plástico/cimento Figura 2 Principais propriedades do concreto celular espumoso orgânico com rejeito plástico para os fatores areia/cimento estudados Job: Demostration data SiLi detector Imagem 1 area 1 polímero (15/7/5 9:41) (a) (b) (c) (d) Figura 3 Imagem do MEV onde identificou-se as áreas que foram micro-analisadas (a); resultados das análises área 1(b); área 2 (c) e (d) área 3.

5 A imagem da amostra da superfície, feita MEV, Fig. 3, permite observar a presença de macro-células características da estrutura do concreto celular, como também podem ser vistas micro-células nas paredes celulares. A análise de energia de dispersão espectrométrica, EDS, foi feita para determinar a composição das paredes (área 3), da superfície interior das macro-células (área2) e do rejeito plástico (área1). Verifica-se que o rejeito plástico é composto principalmente de C, O, e Cl. A parede da macro-célula é composta de Al, Ca, Si, O e C. O aspecto obtido na superfície interna da macro-célula não mostra a presença de Si, mas indica grande quantidade de C em comparação à encontrada na parede celular. A análise de difração por raios X da amostra da mistura PN25 G, Fig. 4, indica que a parede celular é essencialmente composta de CaCO 2 (calcita), Ca(OH) 2 (hidróxido de cálcio); SiO 2 (quartzo) e Ca 6 Al 2 (SO 4 ) 2 (OH) 12.26H 2 O (etringita). A fração de poros interconectados foi determinada através da técnica de porosimetria de mercúrio onde o volume de vazios contidos em pequenas amostras representativas dos concretos celulares da segunda fase de ensaios foi levantado. Sob baixa pressão, os poros maiores são preenchidos com mercúrio e, à medida que a pressão gradualmente aumenta, o tamanho dos vazios penetrados pelo mercúrio diminui. Na faixa de pressão entre,69 até,9 MPa a correspondente variação dos diâmetros de poros vai de 215,54 até 27 μm. Em altas pressões, na faixa de,97 até 27 MPa, o tamanho de vazios penetrados pelo mercúrio cai para a faixa de 1,85 até,972 μm. Baseado neste comportamento, foi possível determinar o volume de poros interconectados, V i, assim como a sua distribuição de acordo com o tamanho dos poros. No histograma da Fig. 5, observa-se que a distribuição dos tamanhos dos poros é bi-modal, com a primeira moda correspondente aos diâmetros de poros entre 3.5 e 215 μm (macroscópicos) e uma segunda moda entre os diâmetros de,957 e,72 μm correspondentes aos micro-poros da parede celular. Descontando-se o volume de poros interconectados do volume total da amostra de concreto celular, se pode calcular a densidade do esqueleto da parede celular, ρ s, que se refere à massa específica do concreto celular incluído os poros fechados. Os valores de ρ s obtidos desta forma, são listados na Tab. 3, juntamente com os valores de massa específica aparente, ρ a. Os valores correspondentes de massa específica real, ρ r, determinados utilizando-se a técnica de picnometria com hélio, também são listados na Tab. 3. F i, F c e F referem-se, respectivamente, à fração volumétrica dos poros interconectados, fração volumétrica dos poros fechados e total de poros das amostras. Figura 4 Resultado da difração por raio X indicando a presença de várias fases na amostra do concreto

6 Figura 5 Histograma representativo da distribuição dos poros interconectados O volume de poros fechados, V c, contidos numa amostra de concreto celular de massa, m, pode ser determinado através das relações : m ρ r = (1) V s m ρ s = (2) V + V s onde V s representa o volume de material sólido contido na amostra. Combinando as equações (1) e (2), V c é obtido: c ρ r ρ s V c = m ρ r ρ s (3) A partir do conhecimento dos volumes V i e V c da amostra, se pode calcular as frações volumétricas dos poros não conectados (fechados) e interconectados (abertos), determinando assim, F c e F i. Estes resultados são apresentados na Tab. 3, onde a fração volumétrica de vazios totais, F, foi obtida pela soma de F i e F c. Tabela 3 Resultados das frações volumétricas Peso de Massa da Volume da cimento Mistura amostra (g) amostra (cm 3 ) ρ a (g/cm 3 ) ρ s (g/cm 3 ) ρ r (g/cm 3 ) F i F c F N1g ,714 PN14G PN24G PN34G PN25G N PN PN PN PN

7 4 4 3,5 3,5 3 3 fc (MPa) 2,5 2 1,5 1,5 f c =,483e 1,7432ρa R 2 =,7932,5 1 1,5 ρ a (g/cm 3 ) fc (MPa) 2,5 2 1,5 1,5 f c =,922F i -1,151 R 2 =,6945,2,4,6,8 F i (a) (b) 3,5 3,5 E (GPa) 3 2,5 2 1,5 1 E =,32F i -1,8874 R 2 =,7269 E (Gpa) 3 2,5 2 1,5 1 E =,9224f c -,4437 R 2 =,935,5,5,5 1 F i f c (MPa) (c) (d) Figura 6 Correlações obtidas entre os resultados apresentados na Tabela 3 As propriedades mecânicas do concreto celular são fortemente dependentes das características físicas mostradas na Tab. 3. Baseando-se nesta premissa, foi feita uma correlação entre a resistência à compressão, f c, e o módulo de elasticidade, E, com a massa específica aparente do concreto celular, ρ a, e a fração volumétrica dos poros, F i. Como exemplo de boas correlações são apresentadas na Fig. 6(a) e 6(b). O aumento de f c com o aumento de ρ a, observado na Fig 6(a) é atribuído principalmente à diminuição da fração volumétrica de vazios. Porém, pode-se notar que o aumento da densidade aparente, adquirido pela utilização de agregado pesado, é acompanhado pela diminuição da resistência da argamassa de cimento. Embora, não tenha sido objeto deste trabalho, a avaliação das propriedades da argamassa, pode nos levar a concluir que a diminuição na fração volumétrica dos vazios é fator estrutural preponderante para melhorar a resistência do concreto celular. Um comportamento similar à variação de f c com F i, também é observado com E, porém a variação do módulo de elasticidade é mais intensa, conforme mostrado na Fig.6(c). E correlaciona-se linearmente com a resistência à compressão, f c, Fig. 6(d). CONCLUSÕES Uma grande fração volumétrica de vazios, até,758, pode ser obtida nas misturas do concreto celular espumacimento endurecido (matriz sem adições). A adição de agregados como areia e rejeitos plástico, nas proporções adotadas neste estudo, resulta em uma redução da fração volumétrica de vazios de até 39%. A redução na fração volumétrica de vazios, conseguida através da adição de agregados, é acompanhada por um aumento da resistência à compressão, f c, do concreto celular. Este aumento pode alcançar 1% do valor de f c encontrado na matriz de concreto celular espuma-cimento sem nenhuma adição. Com base na análise de energia de dispersão espectrométrica, EDS, se pode concluir que a concentração de elementos como C e O nas superfícies dos vazios das células é sensivelmente maior do que os detectados em áreas internas das paredes das células. Resultado compatível com o uso de aditivo orgânico para a produção de bolhas de ar dentro da mistura do concreto. Os resultados da porosimetria por mercúrio em amostras de concreto celular indicaram uma distribuição dos tamanhos dos vazios interconectados do tipo bi-modal. Baseado nos resultados dos ensaios de picnometria por hélio, se pode determinar a massa específica real do concreto celular e, de posse destes dados, estimar a fração volumétrica dos poros fechados.

8 REFERÊNCIAS 1 L. A. Legatski. Cellular Concrete, in Significance of Testing and Properties of Concrete, ASTM Publications Code Number (PCN) , (1994). 2 L. M. Legatski.ASTM STP, 169-B (1978), Referenced in: Legatski, L. A. (1994) 3 ACI, Guide for Cast-in-Place Cellular Concrete. ACI R-92, Detroit, MI, ACI, Guide for Low Density Precast Cellular Concrete. ACI R-93, Detroit, MI, E. Maire, A. Fazekas. L. Salvo, R. Dendievel, S. Youssef, P. Cloetens e J. M. Letang. X-Ray Tomography Applied to the Characterization of Cellular Materials. Related Finite Element Modeling Problems, Composites Science and Technology, vol.63, pp , P. J. Tikalsky, J. Pospisil e W. MacDonald. A Method for Assessment of the Freeze-Thaw Resistance of Prefomed Foam Cellular Concrete, Cement and Concrete Research, vol. 34, pp , O. A. R. Ferreira. Concretos Leves: O concreto celular espumoso. A Construção, no. 249, 27-3, Editora PINI, São Paulo, (1987). 8 F. J. Teixeira Filho. Considerações sobre algumas propriedades dos concretos celulares espumosos. Dissertação de Mestrado, Escola Politécnica da USP, SP, Brasil, I. M. Freitas, K. A. Allende, F. A. I. Darwish. Otimização da produção e das propriedades do concreto celular espumoso orgânico e inorgânico com adição de cinasita e rejeito plástico. XXIV ENEGEP, Florianópolis, SC, Brasil, Proceedings in CD ROM, I. M. Freitas, K. A. Allende, F. A. I. Darwish. Cellular Foam Concrete Containing Expanded Clay and Natural Sand, II Simpósio Internacional sobre Concretos Especiais, Sobral, CE. Brasil, Proceedings in CD ROM, ABNT-NBR 5739 Concreto - Ensaios de compressão de corpos de prova cilíndricos, Rio de Janeiro, ABNT-NBR 8522 Concreto -Determinação do módulo de deformação estática e diagrama tensão-deformação - Método de ensaio, Rio de Janeiro, UNIDADES E NOMENCLATURA f c resistência à compressão (MPa) E módulo de elasticidade (GPa) Ia índice de absorção (%) γ s massa específica seca (kg/m 3 ) aumento de volume de produção γ sat massa específica saturada (kg/m 3 ) ρ s densidade do esqueleto da parede celular (g/cm 3 ) ρ a massa específica aparente (kg/m 3 ) ρ r massa específica real (kg/m 3 ) F i fração volumétrica vazios interconectados F c fração volumétrica dos poros fechados ou não conectados F fração volumétrica total de poros.