A UTILIZAÇÃO DE CONCRETOS E PASTAS, COM ADIÇÃO DE SÍLICA ATIVA E ADITIVO SUPERPLASTIFICANTE, COMO MATERIAL DE REPARO PARA ESTRUTURAS DE CONCRETO

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1 A UTILIZAÇÃO DE CONCRETOS E PASTAS, COM ADIÇÃO DE SÍLICA ATIVA E ADITIVO SUPERPLASTIFICANTE, COMO MATERIAL DE REPARO PARA ESTRUTURAS DE CONCRETO S. C. Fagury (1); J. B. L. Liborio (2) Av. Trabalhador Sãocarlense, nº 400 CEP São Carlos/SP Laboratório de Materiais Avançados à Base de Cimento - Departamento de Engenharia de Estruturas EESC Universidade de São Paulo (1) Eng. Civil, MSc., (2) Prof. Dr., RESUMO Um dos problemas relacionados à tecnologia dos concretos estruturais reside na continuidade de ligações entre concretos de diferentes idades, composições e resistências mecânicas. Este trabalho apresenta uma avaliação do comportamento de um sistema de reparos para estruturas de concreto, relacionando a capacidade de ligação entre concretos novo e velho, utilizando concretos e pastas com adição de sílica ativa (SA) e aditivo superplastificante (SP), como material de reparo. Utiliza-se como substrato corpos-de-prova prismáticos (0,15m x 0,15m x 0,50m), executados com CPII F 32, com resistências características de 15MPa a 50MPa. Os corpos-de-prova foram ensaiados após 28dias à flexão pura até a ruptura, com carregamentos concentrados nos terços médios. Foi realizada então a recuperação dos corpos-de-prova, através do tratamento da interface reparo/substrato com desbaste manual e imprimação de pasta composta de CPV ARI RS, adição de SA, aditivo SP e água. Em seguida é feita a ligação das partes (após 2 meses de exposição ao meio ambiente), com concretos executados com CPV ARI RS, adições de SA, aditivo SP, agregados miúdo e graúdo com D máx 6,3mm. Aguardou-se 28 dias e foram realizados os mesmos ensaios novamente. Foi obtido sucesso total nos tratamentos das zonas de interface pelo processo realizado. Palavras-Chaves: Aderência; Sílica ativa; Material de reparo; Concreto; Aditivo superplastificante. 1. INTRODUÇÃO Um dos problemas relacionados à tecnologia dos concretos estruturais reside na ligação entre concretos com cimento Portland executados em diferentes idades, e com diferentes composições e resistências, denominada, de um modo geral, de ligações entre concretos - novo x velho. As dificuldades geradas neste tipo de ligação atingem desde a retomada de uma concretagem durante a execução de uma estrutura ou sua continuidade depois de determinado tempo, por suspensão temporária de atividades, em casos de ampliações, ou ainda, nos casos de recuperação da estrutura, quando afetada por algum problema associado à deterioração do concreto e/ou armadura. Nas retomadas de concretagens, é necessário que se corrijam diversas falhas localizadas, tais como: segregação de materiais, deposição de fuligens e sais, frente de carbonatação, materiais soltos, região curada inadequadamente, compacidade diferenciada do resto da estrutura e de pior qualidade, etc. Muitas vezes o tratamento dessa região é realizado por profissional sem a devida competência e isso compromete a ligação. Como decorrência dessa situação, a ligação entre concretos - novo x velho, fica prejudicada, pois, nesse local dar-se-á o ponto mais frágil da ligação, que é a zona de interface ou zona de transição. A aludida zona representa a região interfacial entre as partículas de agregado graúdo e a pasta. Esta região é geralmente a parte mais fraca em comparação com os outros dois componentes principais do concreto e, conseqüentemente, exerce uma forte influência no seu comportamento mecânico. É uma camada delgada, tipicamente de 10µm a 50µm de espessura, ao redor do agregado 798

2 graúdo (1). Entretanto, estudos realizados (2) mostram que a espessura da zona de transição entre agregados e a pasta, em concretos de elevado desempenho, foi verificada em torno 15µm, enquanto que em concretos convencionais a espessura da zona de transição pode chegar a até 50µm. Noutra situação, deterioração da estrutura de concreto armado, o problema poderá estar relacionado com a necessidade de reforço em construções que atingiram o colapso, ou seja, aquelas que necessitam de reforço para desempenho de novas funções ou as que sofreram a deterioração do concreto e/ou da armadura, pela incompatibilidade com o meio ambiente ou micro-climas. A deterioração das estruturas de concreto está associada na maioria das vezes com problemas de projeto (especificações de materiais inadequados, concretos incompatíveis com o meio ambiente ou região viciada, especificação inadequada do cobrimento da armadura, etc.), e com a execução (ausência de critérios para escolha e controle de materiais - agregados, cimento Portland, água de amassamento, armadura de reforço, ausência de controle do cobrimento da armadura especificado no projeto, ausência e/ou insuficiência de cura, liderança competente, etc). O custo direto da recuperação estrutural quando a obra está em uso poderá significar investimentos de até US$150,00 (3) para cada dólar envolvido na fabricação correta do elemento estrutural. Indiretamente esse custo poderá ser ainda maior se considerados os transtornos proporcionados aos usuários da construção, os lucros cessantes, etc. Neste trabalho (4), (5) é proposta uma investigação sobre o comportamento de um sistema de reparos, superficiais e estruturais, para estruturas de concreto que apresentam problemas patológicos e em casos de continuidades entre elementos estruturais. Os concretos utilizados como substratos são ditos convencionais e apresentam-se em uma faixa de resistência variando desde concretos com reduzida resistência (f ck =21MPa) até concretos de elevada resistência (f ck =56MPa), além de diferentes composições, podendo-se assim analisar de forma mais completa o comportamento deste sistema em diversos substratos. O sistema de reparos utilizado nesta pesquisa consiste na realização de um tratamento superficial prévio do substrato (concreto velho) através de desbaste superficial e imprimação de pasta de cimento de elevado desempenho (PED) ponte de ligação, para a efetiva ligação ou preenchimento da área a ser tratada e ligada com concretos de elevado desempenho (CED). 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL O procedimento experimental teve início com a execução de substratos (concreto velho) através de um estudo de dosagem envolvendo concretos compostos com cimento Portland CP II F 32 -NBR 11578, agregados graúdos regionais - composição de britas basálticas - D máx =19mm(50%)/D máx =25mm(50%), areia de origem quartzosa de granulometria fina (módulo de finura 2,16) e aditivo plastificante - MASTERMIX 281N. Os concretos dos substratos foram projetados com f c28 (MPa) = 15, 18, 21, 25, 30, 40, 50, de traços (1:m) correspondentes: 1:7,5, 1:7,1, 1:6,9, 1:6,4, 1:5,6, 1:4,15, 1:2,9. Os corpos-de-prova (CP) foram moldados de acordo com a NBR 5738: 12 CP prismáticos (15cmx15cmx50cm) para ruptura (completa) à tração na flexão aos 28dias de idade, para cada traço; tais CP foram utilizados como substrato; 04 CP cilíndricos (10cmx20cm) -ruptura por compressão axial à idade de 28dias, para cada traço; 02 CP cilíndricos (10cmx20cm) -ruptura à compressão diametral à idade de 28dias, para cada traço. Na tabela I apresentam-se os resultados mecânicos obtidos durantes os ensaios. Tabela I - Propriedades mecânicas dos concretos utilizados como substratos TRAÇOS EM MASSA (1:m) 1:2,9 1:4,15 1:5,6 1:6,4 1:6,9 1:7,1 1:7,5 Resistência média à tração na flexão (MPa) 5,7 4,6 4,0 3,8 3,7 3,3 2,9 Resistência média à compressão axial (MPa) 56,7 46,7 38,9 36,7 32,3 28,9 22,5 Resistência média à tração por compressão diametral (MPa) 4,4 3,3 3,2 3,1 3,0 2,7 2,5 799

3 Após 2 meses de exposição às intempéries, objetivando uma proximidade às condições superficiais reais em situações de campo, teve início o procedimento de ligação das partes dos CPs prismáticos, de acordo com a seguinte seqüência: a) Preparo do substrato No preparo do substrato foi realizado um tratamento superficial na face rompida do concreto velho, com o objetivo de melhorar as aderências física e química com o concreto de reparo; tal tratamento é baseado na escarificação manual da superfície de contato, para que os agregados estejam livres de camadas de pasta e superfície carbonatada, aumentando assim a contribuição à ligação mecânica (aderência mecânica), que é efetivada pelo intertravamento entre a superfície do agregado e os cristais resultantes da hidratação do cimento Portland. A aderência química é realizada entre os produtos de reação da hidratação do cimento e a superfície do agregado. b) Condição sss do agregado graúdo O agregado graúdo deve ser considerado na condição saturado superfície seca (sss), que é a condição em que não absorve nem libera água livre em sua superfície e pode alterar a quantidade de água de amassamento do concreto (6). Portanto, após a escarificação e retirada de partes soltas da superfície de contato, os corpos-de-prova prismáticos foram depositados em recipientes contendo água, durante o período de 24h, para que a superfície escarificada apresentasse um estado de saturação considerável. Com o término do período de imersão os corpos-de-prova foram retirados do recipiente e aguardou-se o período de 1h para a secagem superficial. c) Aplicação do sistema de reparo PED/CED Com a secagem superficial da face escarificada teve início a próxima etapa no procedimento de ligação, que é a imprimação da superfície rompida com uma pasta de cimento Portland de elevado desempenho (PED). O objetivo de se imprimar a superfície a ser tratada com a PED, é simplesmente, de propiciar melhores condições de aderência à zona de interface entre concretos - velho x novo. A pasta utilizada apresenta em sua composição materiais que conferem-na propriedades específicas e necessárias a este tipo de ligação. Procedeu-se então com a concretagem de ligação entre as duas partes do corpo-de-prova. O concreto utilizado como material de reparo é classificado como concreto de elevado desempenho (CED) - alta resistência e alta durabilidade, e apresenta uma composição diferente daquela do substrato. A baixa porosidade do material de reparo é necessária, pois a área a ser preenchida por este material estará mais vulnerável a ataques. Através de um estudo de dosagem foram determinados os traços unitários, em massa, para a confecção dos concretos de reparo. Este estudo de dosagem baseou-se principalmente na consistência (fluidez) apresentada pelo concreto no decorrer dos ensaios. Em vista da variação do teor de sílica ativa, e com a finalidade de manter a mesma relação água/aglomerante, variou-se o teor de aditivo. Na Tabela II são apresentados os vários traços. Tabela II - Traços em massa - material de reparo (1:areia:pedrisco) 1º traço: 1:3,0 (1:1,5:1,5) 2º traço: 1:3,0 (1:1,5:1,5) 3º traço: 1:3,0 (1:1,5:1,5) Cimento CP V ARI RS Areia fina Pedrisco Dmáx 6,3mm Sílica ativa (5%) Sílica ativa (10%) Sílica ativa (15%) a/aglomerantes: 0,38 Superplastificante (1,5%) Superplastificante (1,8%) Superplastificante (2,0%) Consistência (mesa de abatimento) k = 230mm ± 10mm Para minimizar o efeito da temperatura ambiente e da temperatura gerada pelas reações exotérmicas de hidratação do cimento da pasta, a temperatura da água de amassamento foi mantida 800

4 próxima a 0ºC, proporcionando assim um tempo em aberto adequado à concretagem do material de reparo. A desmoldagem é feita 24h após a moldagem e os corpos-de-prova foram transportados imediatamente à câmara úmida (95%U.R.) para que fossem curados. A etapa seguinte consistiu na determinação da resistência à tração na flexão de corpos-deprova prismáticos de concreto, rompendo-se novamente os corpos-de-prova, avaliando-se a região de ligação (submetida à flexão pura). 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES A composição de materiais constituintes do reparo (pasta e concreto) evidencia um diferencial em relação à composição de materiais de concretos convencionais. A utilização de um cimento de alta resistência inicial, contendo uma porcentagem de escória em sua composição e apresentando uma elevada área superficial, além da adição de um material com propriedade pozolânica elevada (Sílica ativa) e da utilização de um aditivo superplastificante promovem características singulares tanto à ponte de ligação (pasta) quanto ao concreto, tais como: melhoria da densidade e compacidade, garantindo maior impermeabilidade e durabilidade; consistência fluida sem aumentar o teor de água, e sem oferecer qualquer risco de segregação; elevada resistência mecânica; redução do consumo de cimento, o que produz economia e evita a tendência à retração e fissuração do concreto; melhoria da zona de interface concreto novo x concreto velho - menos porosa e menos espessa. Na tabela III são apresentados os valores referentes a resultados mecânicos obtidos de ensaios com o material de reparo (estado endurecido). Tabela III - Resultados mecânicos (material de reparo) Concretos com adição de Sílica ativa (Fe-Si) Resistência média à compressão axial (NBR 5739) (MPa) Resistência média à tração por compressão diametral (NBR 7222) (MPa) 5% 71,5 4,5 10% 78,8 4,2 15% 73,3 4,9 Na figura 2 apresenta-se uma análise comparativa entre os valores obtidos através do ensaio de determinação da resistência à tração na flexão de corpos-de-prova prismáticos de concreto - NBR 12142, realizados antes e depois da ligação dos CP. Os valores de referência são associados a resultados obtidos nos ensaios dos CP antes do reparo, ou seja, à primeira ruptura, e os demais valores relacionam-se a cada adição de sílica ativa (SA.) feita aos concretos de reparo. Figura 2 - Resistência à tração na flexão x Traços (1:m) Analisando-se a figura 2, percebe-se que, os concretos com adições de 5% e 15% de S.A. apresentaram valores de resistências à tração na flexão bem razoáveis, ou seja, a aderência dos 801

5 concretos de reparo (aliado à ponte de aderência), ao substrato foi tão significativa que em alguns traços observou-se até valores acima dos valores de referência. Percebe-se também que os concretos com 10% S.A. de adição não apresentaram resultados tão satisfatórios quanto ao outros dois traços, entretanto ainda se pode afirmar que o desempenho destes concretos é relevante no sentido de que, mesmo obtendo resultados, na grande maioria dos casos, menores do que os outros traços estudados, ainda assim a ruptura ocorreu no concreto velho. Na maioria dos traços estudados, a adição de 5% de sílica ativa Fe-Si mostrou-se mais eficaz na ligação com concretos, somente em traços muito pobres em cimento (1:7,5 e 1:7,1); a porcentagem de 15% forneceu melhores resultados. A figura 3 apresenta um CP após a ruptura, percebe-se que a ruptura ocorreu na região do concreto velho. 4. CONCLUSÕES Figura 3 - Corpo-de-prova após ruptura A partir dos ensaios e deter minações realizados ao longo deste trabalho pôde-se concluir que: 1. o preparo realizado na superfície da área a ser reparada em todos os casos foi crucial para o sucesso do trabalho. As condições de aderência proporcionadas pela clivagem do agregado graúdo e pela criação da condição de variação higrométrica sss no agregado graúdo, elevaram de forma significativa a capacidade de interação entre o sistema de reparo e os substratos, confirmando dados da literatura (7). 2. a refrigeração das superfícies a serem ligadas contribui no desenvolvimento das propriedades projetadas, assim como, a montagem do próprio material de recuperação (evitar expor agregados a serem utilizados na confecção do material de ligação à insolação direta) (4) ; 3. a utilização de sílica amorfa (de qualquer procedência) pode melhorar substancialmente a zona de transição entre pasta x agregado, devendo o usuário da técnica, no entanto, ter em mente que a simples utilização dessas adições pode ter efeitos indesejáveis, se a técnica não for compreendida; 4. a combinação de cimento de alta resistência (com adições de escória), adições de sílica ativa e superplastificante (SP) é particularmente interessante para situações de reparo/recuperação/reforço de estruturas de concreto. As adições de sílica ativa têm um papel importante na contribuição à resistência mecânica nas primeiras idades, já a escória de alto forno (presente no cimento CP V ARI RS) considerando a progressiva hidratação, bem mais lenta, contribui para a resistência nas idades mais avançadas; não menos importante é a redução da quantidade da água de amassamento do traço em vista da utilização do aditivo SP. 5. a avaliação final do desempenho do sistema de reparo aqui utilizado proporcionou, no que tange à aderência aos diversos substratos de concretos estudados, uma efetiva interação física e química (4) entre as partes. Este fato foi confirmado durante os ensaios à tração na flexão dos corposde-prova prismáticos recuperados, onde nenhum dos 84 corpos-de-prova estudados apresentou 802

6 ruptura na área do concreto novo. Assim sendo, este sistema de reparos aqui estudado apresenta-se como uma real alternativa para situações de reparos, reforços e recuperações. 5. REFERÊNCIAS 1. P. K. METHA, P. J. M. MONTEIRO, Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais, Pini, São Paulo, SP, (1994). 2. K. VIVEKANDAM, I. PATNAYKUNY, Transition zone in high performance concrete during hydration, Cement and concrete research 27 (1997) J. B. L. LIBORIO, Laudo técnico, confidencial, não divulgado, sobre inspeção em edifício de apartamentos de alto luxo. (1998). 4. S. C. FAGURY, Concretos e pastas de elevado desempenho: Contribuição aos estudos de reparos estruturais e ligações entre concretos novo e velho, com tratamento da zona de interface, dissertação de mestrado, Interunidades em Ciência e Engenharia de Materiais EESC- IFSC- IQSC- USP, São Carlos, SP, (2002). 5. S. C. FAGURY, J.B.L. LIBORIO, Concretos e pastas de elevado desempenho: Contribuição aos estudos de reparos estruturais e ligações entre concretos novo e velho, com tratamento da zona de interface. Anais do 44º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO, Belo Horizonte, MG, Agosto de 2002, em CD- ROM. 6. FURNAS, Concreto: Estrutural, projetado e compactado a rolo. Ensaios e propriedades Laboratório de concreto, Pini, São Paulo, SP, (1997). 7. C. W. Bortoluzzo, Contribuição ao estudo do comportamento mecânico dos revestimentos de argamassa, dissertação de mestrado, ESSC- USP, São Carlos, SP, (2000). 6. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem: CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, Elkem Microsilica Tecnologia Ind. e Com. Ltda, Grupo Holcim Brasil S/A, Vibrato serviços de concretagem Ltda e SIKA S/A. 803

7 THE USE OF CONCRETES AND PASTES WITH SILICA FUME ADDITION AND SUPERPLASTICIZER ADMIXTURES, AS REPAIR MATERIAL FOR CONCRETE STRUCTURES S. C. Fagury (1); J. B. L. Liborio (2) Av. Trabalhador Sãocarlense, nº 400 CEP São Carlos/SP Laboratory of Advanced Cement-Based Materials - Department of Engineering of Structures EESC - University of São Paulo (1) (2) ABSTRACT One of the problems connected to the technology of structural concretes resides in the continuity of connections among concretes of different ages, compositions, and mechanical resistances. This paper presents an evaluation of the behavior of a repair system for concrete structures, relating the connection capacity between new -to-old concrete, using concrete and pastes with the addition of silica fume(sf) and superplasticizer(sp) admixture as repair material. Prismatic specimens (0.15m x 0.15m x 0.50m) executed with CPIIF32, with characteristic resistances ranging from 15MPa to 50MPa, were used as substratum and, with concentrated loading in the middle third, the specimens were tested after 28 days by a pure flexural strength test until rupture. Next, recovery of the specimen was done by treating the repair material/substratum interface, first, by removing superficial concrete and then priming with a paste composed of CPVARIRS, additions of SA, SP admixtures, and water. After 2 months of exposure to the environment, the connection of the parts was made with concretes prepared with CPVARIRS, additions of SA, SP admixtures, sand, and coarse basaltic aggregates with D máx 6,3mm. After 28 days the same tests were performed again. Complete success was obtained in the treatments of the interface zones throughout the process. Key words: adherence; silica fume; repair material; concrete; superplasticizer admixture. 804

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