CONCRETO LEVE ESTRUTURAL COM METACAULIM

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1 CONCRETO LEVE ESTRUTURAL COM METACAULIM CONCRETO LEVE ESTRUTURAL COM METACAULIM João A. Rossignolo Professor outor, epartamento de Arquitetura e Urbanismo da Escola de Engenharia de São Carlos USP, jarossig@sc.usp.br Ismael L. Oliveira Graduando em Engenharia Civil da Escola de Engenharia de São Carlos USP, ismael.lorandi@gmail.com Resumo Este trabalho apresenta os resultados da avaliação das modificações promovidas pelo Metacaulim no desempenho das propriedades do concreto leve estrutural. Foi analisado o efeito do Metacaulin na resistência à compressão, na resistência à tração por compressão diametral, no módulo de deformação, na absorção de água por imersão e na carbonatação do concreto com agregados leves. Nos resultados obtidos verificou-se que a adição de % de Metacaulim melhorou significativamente o desempenho da resistência à compressão, da resistência à tração por compressão diametral e, especialmente, da absorção de água por imersão e da carbonatação dos concretos leves. No entanto, a adição de Metacaulim não promoveu alterações significativas no valor do módulo de deformação dos concretos. Palavra-chave: concreto leve, agregado leve, Metacaulim. Introdução Nas três últimas décadas houve grande desenvolvimento na tecnologia dos concretos estruturais devido, especialmente, à evolução das técnicas e equipamentos para estudo dos concretos e ao uso de novos materiais componentes. Esses novos materiais, dentre os quais se destacam os aditivos redutores de água e as adições minerais pozolânicas, possibilitaram melhorias significativas nas propriedades relacionadas à resistência mecânica e à durabilidade dos concretos. O desenvolvimento desses novos materiais resultou em incremento da utilização dos chamados concretos de alto desempenho (CA) (Zhang & Gjφrv, 99; Almeida, 99; Paulon, 99; Helene, 999; Aïtcin, 000). Nos últimos anos, foram realizadas pesquisas com o intuito de otimizar ainda mais algumas propriedades dos concretos de alto desempenho. entre elas destaca-se a união das características otimizadas do CA com a baixa massa específica dos concretos leves estruturais (CLE), obtendo-se, assim, o concreto leve de alto desempenho (CLA). A redução da massa específica do concreto, com a manutenção da resistência mecânica, propicia a redução do peso próprio da estrutura e, conseqüentemente, das cargas na fundação, reduzindo, assim, o custo final da obra, especialmente com a utilização da tecnologia da pré-fabricação (Slate et al., 98; Moreno, 98; Berner, 99; Zhang & Gjørv, 99; Holm & Bremner, 99; Ikeda, 000; Vieira & Gonçalves, 000; Rossignolo & Agnesini, 00, 00, 00; Rossignolo, 00). Entretanto, além da redução da massa específica, a substituição dos agregados convencionais por agregados leves pode ocasionar alterações significativas em outras importantes características do concreto, com destaque especial para: resistência mecânica, absorção de água e módulo de deformação. entre as formas de ajustar o desempenho do concreto leve, compensando eventuais alterações nas propriedades citadas em decorrência do uso do agregado leve, destaca-se a utilização de adições minerais pozolânicas, como o Metacaulim (Rossignolo & Agnesini, 00). O Metacaulim, produzido no Brasil desde o final da década de 990 na região de Jundiaí (SP), é obtido pela calcinação de um tipo específico de argila. Essa adição mineral proporciona reatividade com o hidróxido de cálcio presente na pasta de cimento, efeito esse denominado de reação pozolânica. A reação pozolânica reduz a porosidade e o teor de hidróxido de cálcio na matriz de cimento, assim como melhora a qualidade da zona de transição agregado-matriz, promovendo a melhora de desempenho das propriedades do concreto estrutural leve relacionadas à resistência mecânica e à durabilidade. Minerva, (): -8

2 8 ROSSIGNOLO & OLIVEIRA iante desse cenário, o presente trabalho dedicase ao melhor entendimento das modificações nas propriedades e características do concreto estrutural leve em função da utilização de Metacaulim. Foram analisados a massa específica, a resistência à compressão, a resistência à tração por compressão diametral, o módulo de deformação, a absorção de água por imersão e a carbonatação de concretos leves estruturais com % de Metacaulim, em relação à massa de cimento, com abatimento do tronco de cone de 0 ± mm e consumo de cimento variando entre 0 e 00 kg/m. Foi analisada também a influência da dimensão do agregado leve e do Metacaulim na Resistência ótima do concreto leve. Materiais e Programa Experimental Para a produção dos concretos leves foi utilizado o cimento Portland composto com escória de alto-forno (CPIIE), fabricado pela empresa CIMINAS S.A. (grupo Holdercim), com massa específica de,9 g/cm e área específica Blaine de.0 cm /g. O Metacaulim empregado apresentou massa específica de, g/cm, área específica em torno de.000 cm /g e teor de SiO de,%. Os agregados utilizados foram areia natural quartzosa e dois tipos de argila expandida, Cinexpan 0 ( =,mm) e Cinexpan ( = 9,0 mm) (Tabela ). O superplastificante empregado foi do tipo SPA (melamina sulfonato formaldeídico), segundo classificação da NBR8, com massa específica de, g/cm e teor de sólidos de,%. Na dosagem dos concretos foi utilizado o teor de % de Metacaulim em relação à massa total de aglomerante, em substituição ao CPIIE. essa forma, foram obtidos traços com a mesma dosagem de aglomerante, mas com teores diferentes de Metacaulim (0 e %). Fixou-se o slump em 0 ± mm para todas as dosagens, e, em casos em que não se atingiu esse parâmetro, utilizou-se o aditivo superplastificante para que essa exigência fosse cumprida. Os traços dos concretos analisados são apresentados nas Tabelas e. Os materiais foram misturados em uma betoneira do tipo planetária com capacidade de 0 dm. Os agregados leves foram adicionados à mistura sem saturação prévia. Os corpos-de-prova foram moldados em moldes de aço e adensados com vibrador de imersão. A argamassa utilizada para a moldagem dos corpos-de-prova foi retirada do concreto utilizando peneira metálica com abertura de,8 mm para eliminar os agregados graúdos. Após horas da moldagem, os corpos-de-prova foram acondicionados em uma sala monitorada com 9% de umidade relativa (UR) e ± ºC, até a data do ensaio. Foram utilizados corpos-de-prova cilíndricos com 0 mm de diâmetro e 00 mm de altura na idade de 8 dias (com exceção da carbonatação) para todas as análises. Para cada dosagem foram moldados cinco corpos-de-prova para a determinação da resistência à compressão do concreto e cinco para a argamassa (NBR 9), três para a resistência à tração por compressão diametral (NBR ), dois para a absorção de água por imersão (NBR 98) e três para o módulo de deformação tangente inicial (NBR 8). A verificação da espessura de carbonatação aos 80 dias de idade foi realizada utilizando três corpos-de-prova cilíndricos com 0 mm de diâmetro e 00 mm de altura, que foram rompidos por compressão diametral (NBR ) e em seguida submetidos a uma solução de fenolftaleína. Apresentação e iscussão dos Resultados Os valores da massa específica no estado fresco (Tabela ) variaram entre 90 e 0 kg/m, ou seja, cerca de 0% a 0% abaixo dos valores obtidos usualmente para os concretos com agregados tradicionais. Os valores do teor de ar incorporado obtidos para os concretos leves estiveram entre,% e,0%. Tipo de agregado NBR (mm) Massa específica NBR 9 (g/cm ) Massa unitária Absorção de água * (em massa) NBR (g/cm ) 0 min. 0 min. h Areia,,,9 Cinexpan 0,, 0,9,,,0 Cinexpan 9,0 0, 0,,0,0, * Método proposto por Tezuka (9). Tabela Características dos agregados. Minerva, (): -8

3 CONCRETO LEVE ESTRUTURAL COM METACAULIM 9 Tabela osagem dos concretos leves de alto desempenho ( =, mm). Metacaulim Proporcionamento Agl: A: 0 (em massa) Consumo de aglomerante (kg/m ) Relação a/(agl) Consumo de aditivo superplastificante :,9:,8,9 0, 0,% :,:,0,9 0,0 0,0% :,0:, 8, 0, 0,% :,9: 0,9 0, 0, 0,% :,9: 0,8 8, 0, 0,% :,: 0,, 0, 0,0% :,0: 0,0, 0,8 0,% Aglomerante: areia: Cinexpan 0. Relação a/(agl) efetiva (em massa), em que a = quantidade total de água presente na mistura. Tabela osagem dos concretos leves de alto desempenho ( = 9,0 mm). Metacaulim Proporcionamento Agl: A: :0 (em massa) Consumo de aglomerante (kg/m ) Relação a/(agl) Consumo de aditivo superplastificante :,: 0,: 0,9, 0, 0,00% :,9: 0,: 0,8 0,9 0,0 0,9% :,: 0,8: 0,, 0, 0,% :,9: 0,: 0,8 90, 0, 0,% :,: 0,: 0,, 0, 0,9% :,: 0,0: 0,, 0, 0,0% :,0: 0,8: 0, 0,8 0,8 0,% Aglomerante: areia: Cinexpan : Cinexpan 0. Relação a/(agl) efetiva (em massa), em que a = quantidade total de água presente na mistura. Minerva, (): -8

4 80 ROSSIGNOLO & OLIVEIRA Os valores obtidos de resistência à compressão e massa específica seca dos concretos com agregados leves com dimensão ima característica ( ) de 9,0 e, mm são apresentados nas Tabelas e, respectivamente. Comparados aos concretos com agregados tradicionais que, usualmente, apresentam valores de massa específica próximos a 00 kg/m, os concretos leves analisados apresentaram redução dos valores da massa específica entre 0% e 0%. A Figura ilustra a relação entre resistência à compressão do concreto leve e da argamassa aos 8 dias de idade. Observa-se nessa figura a deflexão na curva de desenvolvimento da resistência à compressão do concreto com agregados leves no ponto denominado de Resistência ótima (fg). Nesse ponto, o valor do módulo de deformação da argamassa supera o valor do módulo de deformação do agregado leve, dividindo a curva em duas fases. Na primeira, a resistência à compressão do concreto aumenta de forma proporcional à elevação da resistência à compressão da argamassa, uma vez que o agregado é a fase mais resistente do material. Na segunda fase, o módulo de deformação do agregado leve é menor do que o da argamassa e a resistência do concreto leve é controlada pela resistência do agregado. Assim, o acréscimo nos valores de resistência à compressão da argamassa não contribui de forma proporcional para o aumento do valor de resistência à compressão do concreto (Rossignolo & Pereira, 00; Chen et al., 998). entre os fatores que influenciam o valor da Resistência ótima do concreto leve, a dimensão ima característica ( ) do agregado leve apresenta-se como um dos mais importantes, como mostra o comportamento da curva da Figura, em que se observa a diferença relativa de % entre os valores de Resistência ótima dos concretos com os dois tipos de agregados leves utilizados. As Figuras e ilustram o efeito da adição de Metacaulim no valor da resistência à compressão dos concretos leves. Observa-se nessas figuras que a adição de % de Metacaulim, em substituição ao cimento Portland (em massa), proporcionou aumento significativo no valor da Resistência ótima, sendo de,% para = 9 mm e de 8,% para =, mm. Essa melhoria no desempenho dos concretos leves com adição de Metacaulim, em relação aos concretos de referência, pode ser atribuída à melhoria da zona de transição agregado-matriz e ao refinamento dos poros da argamassa, conseqüência da reação pozolânica e do efeito filler promovido por essa adição mineral. Os resultados apresentados na Tabela indicam que a relação entre a resistência à tração por compressão diametral e a resistência à compressão dos concretos leves sem Metacaulim aos 8 dias foi, em média, de 8,%. Já nos concretos leves com adição de % de Metacaulim (Figuras e ) observou-se que a relação entre resistência à tração por compressão diametral e resistência à compressão aos 8 dias aumentou para,0%, em média. Tabela Propriedades dos concretos leves no estado fresco. Metacaulim Massa específica fresca (kg/m ) Incorporação de ar =, mm = 9 mm =, mm = 9 mm 0 89,, 80 0,8, 0 0,, 8,9, ,, 8,, 0 0,,8,, 0 0 9,9, 0,9, ,, 8,, 0 9 0,,9 9 80,, Minerva, (): -8

5 CONCRETO LEVE ESTRUTURAL COM METACAULIM 8 Resistência à compressão do concreto aos 8 dias (MPa) 0 0 R = 0,99 R = 0,9 fg fg = 9 mm =, mm Resistência à compressão da argamassa (MPa) Figura Relação entre resistência à compressão do concreto leve e da argamassa aos 8 dias (com Metacaulim). Tabela Resultados de resistência à compressão e massa específica seca dos concretos leves com = 9,0 mm. Metacaulim Massa específica seca (kg/m ) (8 dias) Resist. compr. concreto (MPa) (8 dias) Resist. compr. argamassa (MPa) (8 dias) 0 0,0, 9,, 0,8,8 08,,0 0 9,0 8,,, 0,9,,, 0,8 8, 8,,8 0, 0, 80,,8 0 8,,9 9 8,, Minerva, (): -8

6 8 ROSSIGNOLO & OLIVEIRA Tabela Resultados de resistência à compressão e massa específica seca dos concretos leves com =, mm. Metacaulim Massa específica seca (kg/m ) (8 dias) Resist. compr. concreto (MPa) (8 dias) Resist. compr. argamassa (MPa) (8 dias) 0 0,9, 8,, ,, 9,, 0 0, 8,8 9,, 0 0 0,0, 9 0,,0 0 0,,0 0,9 0, ,,,, ,8, 9,, 0 Resistência à compressão do concreto aos 8 dias (MPa) 0 R = 0,9 R = 0, Resistência à compressão da argamassa (MPa) = 9 mm Com Metacaulim Figura Relação entre resistência à compressão do concreto leve e da argamassa aos 8 dias ( = 9,0 mm). Minerva, (): -8

7 CONCRETO LEVE ESTRUTURAL COM METACAULIM 8 Resistência à compressão do concreto aos 8 dias (MPa) 0 0 R = 0,99 R = 0,9 =, mm Com Metacaulim Resistência à compressão da argamassa (MPa) Figura Relação entre resistência à compressão do concreto leve e da argamassa aos 8 dias ( =, mm). A melhora de desempenho da resistência à tração por compressão diametral dos concretos leves com Metacaulim, em relação aos concretos de referência, pode ser atribuída, especialmente, à atuação da adição na melhora da qualidade da zona de transição agregado-matriz e na alteração da microestrutura da matriz de cimento, reduzindo o teor de poros e de hidróxido de cálcio (CH). A Tabela 8 apresenta os resultados de módulo de deformação obtidos para os concretos leves: na média, a adição de Metacaulim apresentou pouca influência nos valores do módulo de deformação dos concretos leves. Com relação à absorção de água por imersão, os resultados (Figuras e ) indicam que a adição de % de Metaculin, em substituição ao cimento Portland, reduz significativamente o valor dessa propriedade. Essa redução do valor da absorção de água foi, em média, de 0% para os dois tipos de agregados utilizados, no entanto, foi mais pronunciado nos concretos leves com elevado consumo de aglomerante, chegando a 0% para concreto com =, mm (traço ) e % para concreto com = 9,0 mm (traço ). Analisando os resultados apresentados nas Figuras e, observou-se, ainda, a redução expressiva da espessura da carbonatação dos concretos leves com a utilização de % de Metacaulin, indicando, assim, que essa adição mineral apresenta atuação efetiva na redução da porosidade permeável do concreto, melhorando o desempenho de durabilidade desse material. Conclusões Nos resultados obtidos nesta pesquisa foi possível observar que o aumento da dimensão ima característica do agregado leve (argila expandida) promove significativa redução do desempenho de algumas propriedades dos concretos leves, como a resistência à compressão, resistência à tração por compressão diametral e módulo de deformação. essa forma, esse efeito deve ser considerado no momento da escolha do agregado leve para a dosagem dos concretos leves, preferencialmente analisando a Resistência ótima da dosagem para determinar a dimensão ideal do agregado. Esse procedimento resulta na obtenção de traços de concreto leve mais eficientes e com menor consumo de aglomerante. Verificou-se, ainda, nesta pesquisa que a adição de % de Metacaulim (em substituição ao cimento Portland, em massa) resultou na melhoria significativa do desempenho da resistência à compressão, da resistência à tração por compressão diametral e, especialmente, da absorção de água por imersão e da carbonatação dos concretos leves. No entanto, a adição de Metacaulim não promoveu alterações significativas no valor do módulo de deformação dos concretos leves. Minerva, (): -8

8 8 ROSSIGNOLO & OLIVEIRA Tabela Valores da resistência à tração dos concretos leves. Metacaulim Resistência à tração por compressão diametral aos 8 dias (MPa) =, mm = 9 mm 0,,,0,9 0,9,9,, 0,,0,, 0,,,8, 0,,,0,9 0,,,, 0,,,,8 Tabela 8 Valores do módulo de deformação dos concretos leves. Metacaulim Módulo de deformação tangente inicial aos 8 dias NBR 8 (GPa) =, mm = 9 mm 0,8,0, 9,8 0,9,,, 0,,0,8, 0,9,,,9 0,,,, 0,9, 8,, 0,,8 0,8 9, Minerva, (): -8

9 CONCRETO LEVE ESTRUTURAL COM METACAULIM 8 Absorção de água por imersão horas 9 8 Com Metacaulim =, mm R = 0,8 R = 0, Consumo de aglomerante (kg/m³) Figura Relação entre absorção de água por imersão e consumo de aglomerante dos concretos leves aos 8 dias ( =, mm). Absorção de água por imersão horas 9 8 R = 0,9 R = 0,9 Com Metacaulim = 9 mm Consumo de aglomerante (kg/m³) Figura Relação entre absorção de água por imersão e consumo de aglomerante dos concretos leves aos 8 dias ( = 9,0 mm). Esses resultados indicam que, mesmo nos concretos leves, em que o agregado é o principal fator limitante do desempenho da resistência mecânica do concreto, as alterações promovidas pelo Metacaulim na matriz de cimento resultam na melhoria de desempenho dessas propriedades. Em relação à durabilidade do concreto leve, propriedade que tem pouca influência do agregado leve, verificado nesta pesquisa por meio da análise da absorção de água por imersão e da carbonatação, observa-se que a adição de Metaculim resultou em aumento expressivo da melhora de desempenho dessa propriedade. Minerva, (): -8

10 8 ROSSIGNOLO & OLIVEIRA Espessura de carbonatação (mm) ( meses) 0 % de Metacaulim =, mm Figura Valores da espessura de carbonatação aos meses de idade dos concretos leves com =, mm. Espessura de carbonatação (mm) ( meses) 0 % de Metacaulim = 9 mm Figura Valores da espessura de carbonatação aos meses de idade dos concretos leves com = 9,0 mm. Referências Bibliográficas ALMEIA, I. R. Superplastificantes, microssílica e durabilidade dos concretos. Revista Téchne, v., p. 0-, set./out. 99. AÏTCIN, P. C. Concreto de alto desempenho. São Paulo: Pini, 000. BERNER,. E. High ductility, high strength lightweight aggregate concrete. In: ACI SYMPOSIUM ON PERFORMANCE OF STRUCTURAL LIGHTWEIGHT CONCRETE, 99, atas. Anais... allas, Texas, 99. HELENE, P. R. L. Concreto de alto desempenho: o melhor está por vir. Rev. Cimento Hoje, n. 0, fev HOLM, T. A.; BREMNER, T. W. High strength lightweight aggregate concrete. In: SHAH, S. P.; AHMA, S. H., (Eds.). High performance concrete: properties and applications. New York: Ed. McGraw-Hill, 99. Cap., p. -. IKEA, S. Recent developments in LWAC in Japan. In: INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON STRUCTURAL LIGHTWEIGHT AGGREGATE CONCRETE,., 000, Kristiansand. Anais... Kristiansand, Noruega, a de Junho, pp. -. Minerva, (): -8

11 CONCRETO LEVE ESTRUTURAL COM METACAULIM 8 MORENO, J. Lightweight concrete ductility. etroit, Michigan: Concrete International, American Concrete Institute, November, 98. PAULON, V. A. Interface entre a pasta de cimento e agregado. In: REUNIÃO O IBRACON,., 99, Goiana. Anais... Goiânia, 99. v., p ROSSIGNOLO, J. A.; AGNESINI, M. V. C. Concreto estrutural leve. Concreto: Ensino, Pesquisas e Realizações, Instituto Brasileiro do Concreto, 00. ROSSIGNOLO, J. A.; PEREIRA, J. R. Influência do agregado no desempenho da resistência à compressão do concreto: comparação entre basalto e argila expandida. V Encontro Tecnológico da Engenharia Civil e Arquitetura ENTECA, 00. ROSSIGNOLO, J. A. Concreto leve de alto desempenho modificado com SB para pré-fabricados esbeltos dosagem, produção, propriedades e microestrutura. 00. Tese (outorado) Interunidades EESC/IFSC/IQSC da Universidade de São Paulo. São Carlos. ROSSIGNOLO, J. A.; AGNESINI, M. V. C. Mechanical properties of polymer-modified lightweight aggregate concrete. Cement and Concrete Research, v., n., p. 9-, 00. ROSSIGNOLO, J. A.; AGNESINI, M. V. C. urability of polymer-modified lightweight aggregate concrete. In: Composites in constructions. Lisse, Holanda: Ed. A. A. Balkema Publishers, 00. p. -. SLATE, F. O.; NILSON, A. H.; MARTÍNEZ, S. Mechanical properties of high-strength lightweight concrete. ACI Materials Journal, v. 8, n., p. 0-, 98. TEZUKA, Y. Concreto leve à base de argila expandida. 9. issertação (Mestrado) Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo. VIEIRA, M.; GONÇALVES, A. urability of high performance LWAC. In: INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON STRUCTURAL LIGHTWEIGHT AGGREGATE CONCRETE,., 000, Kristiansand. Anais... Kristiansand, Noruega, 000. pp. -. ZHANG, M. H.; GJφRV, O. E. Mechanical properties of high-strength lightweight concrete. ACI Materials Journal, v. 88, n., p. 0-, 99. Minerva, (): -8