TECNOLOGIA AVANÇADA DO CONCRETO UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ. Aditivos. Prof. Wellington Mazer 01/01

Transcrição

1 Aditivos

2 Conceituação São materiais adicionados ao concreto (que não sejam cimento, água ou agregados) em quantidades inferiores a 5% da massa de cimento.

3 Conceituação Função dos Aditivos Modificar ou melhorar a trabalhabilidade, a pega e o endurecimento, resistência às ações físicas, químicas ou mecânicas, etc. Obter regularidade na fabricação do concreto Ampliar o campo de aplicação do concreto Diminuir custos

4 Tipos (NBR 11768:2011): Conceituação Redutor de água/plastificante (, PA, PN) Alta redução de água/superplastificante tipo I (SP-I R, SP-I A, SP-I N) Alta redução de água/superplastificante tipo II (SP-II R, SP-II A, SP-II N) Incorporador de ar (IA) Acelerador de pega (AP) Acelerador de resistência (AR) Retardador de pega (RP)

5 Aditivos Redutores de Água Definições Química Efeito no sistema água-cimento Efeito nas propriedades do concreto fresco Efeito nas propriedades do concreto endurecido

6 Definições Aditivos Redutores de Água São produtos cuja função principal é produzir concretos com uma dada trabalhabilidade com menor relação água/cimento que outro concreto sem o aditivo. Caso seja mantida a relação água/cimento, haverá um aumento no abatimento.

7 Definições Aditivos Redutores de Água

8 Definições Aditivos Redutores de Água 1932 Sal sufonatado naftaleno formaldeído polimerizado. Década de Lignosulfonatos. Década de 1950 Ácidos hidrocarboxilícos.

9 Definições Aditivos Redutores de Água O uso destes aditivos pode produzir os seguintes efeitos: 1 Manter a trabalhabilidade, reduzindo a relação água/cimento com consequente aumento da resistência. 2 Aumentar a trabalhabilidade, sem reduzir a quantidade de água e mantendo a mesma resistência. 3 Reduzir a quantidade de cimento mantendo a trabalhabilidade e resistência.

10 Definições Resistência > A Trabalhabilidade = B Aditivos Redutores de Água + cimento + cimento + água Resistência = A Trabalhabilidade >= B Referência Resistência = A Trabalhabilidade = B + aditivo - água + aditivo - cimento - água + aditivo Resistência >= A Trabalhabilidade = B Resistência = A Trabalhabilidade = B Resistência = A Trabalhabilidade >= B

11 Definições Aditivos Redutores de Água Alguns destes aditivos possuem mais de uma função: 1 Redutores de água e aceleradores de pega. 2 Redutores de água e retardadores de pega. 3 Redutores de água com incorporadores de ar.

12 Definições Aditivos Redutores de Água

13 Definições Aditivos Redutores de Água

14 Química Aditivos Redutores de Água Os redutores de água são produzidos, basicamente, a partira de três bases químicas: - Lignosulfonatos; - Ácidos hidrocarboxilícos; - Polímeros hidroxilados.

15 Aditivos Redutores de Água Química Tipo de aditivo Normal Com acelerador Com retardador Com incorporador de ar Lignosulfonato purificado Lignosulfonato + CaCl 2 Lignosulfonato com açúcares Lignosulfonato impuro Lignosulfonato + agente eliminador de ar Ácido hidrocarboxilíco em baixa dosagem Polímero hidroxilado em baixa dosagem Lignosulfonato + trietanolamina Ácido hidrocarboxílico Lignosulfonato + surfactante Lignosulfonato + Ca Polímero hidroxilado Ácido hidrocarboxílico + surfactante Ácido hidrocarboxílico + CaCl 2

16 Química Lignosulfonatos: Aditivos Redutores de Água É um subproduto do processo de fabricação do papel. Os lignosulfonatos comerciais utilizam formulações predominantemente com sódio ou cálcio com carbohidratos (açúcar).

17 Química Lignosulfonatos: Aditivos Redutores de Água Os sais de sódio utilizados tendem a manter a solubilidade em baixas temperaturas, e possuem um grau de ionização maior que os sais de cálcio.

18 Química Aditivos Redutores de Água Ácidos Hidrocarboxílicos: Como o próprio nome indica, este é um composto da química orgânica que contém grupos Hidroxila e Carboxila em suas moléculas.

19 Química Aditivos Redutores de Água Ácidos Hidrocarboxílicos: Normalmente são utilizados sais de sódio e ocasionalmente são encontrados sais de amônia ou trietanolamina.

20 Química Polímeros Hidroxilados: Aditivos Redutores de Água São produtos derivados de polisacarídeos, como o amido de milho, pela hidrólise parcial de polímeros de menor peso molecular, contendo até 25 unidades de glicose.

21 Química Polímeros Hidroxilados: Aditivos Redutores de Água São eficientes redutores de água, mas retardam a pega, então pode ser necessário adicionar pequenas quantidades de cloreto de cálcico ou trietanolamina.

22 Aditivos Redutores de Água Efeito no sistema água-cimento Considerações reológicas: A fluidez de uma pasta de cimento pode ser medida através do torque produzido nela em sistema estacionário, com um viscosímetro.

23 Aditivos Redutores de Água Efeito no sistema água-cimento Considerações reológicas:

24 Aditivos Redutores de Água Efeito no sistema água-cimento Considerações reológicas: Relações lineares indicam um escoamento plástico e o valor que intercepta o eixo das tensões de cisalhamento é denominado de limite de elasticidade transversal. A viscosidade do sistema é dada pela declividade da curva em um trecho linear.

25 Aditivos Redutores de Água Efeito no sistema água-cimento Considerações reológicas: Entre os diversos parâmetros que influenciam as propriedades do concreto no estado plástico, é possível isolar os efeitos reológicos da pasta: - A consistência ou fluidez é função da viscosidade da pasta; - A coesão será função do limite de elasticidade transversal da pasta ( yield stress ).

26 Aditivos Redutores de Água Efeito no sistema água-cimento Considerações reológicas: Mas como os aditivos redutores de água influenciam na reologia da pasta?

27 Aditivos Redutores de Água Efeito no sistema água-cimento Considerações reológicas:

28 Aditivos Redutores de Água Efeito no sistema água-cimento Considerações reológicas: Os gráficos indicam os resultados variam em função do tipo de aditivo, da relação água/cimento e do tipo de cimento. Resultados típicos para pasta são:

29 Aditivos Redutores de Água Efeito no sistema água-cimento Considerações reológicas: Aditivos em dosagens normais Média da redução de água (%) (a/c = 0,3 a 0,5) Lignosulfonato de sódio 10 Gluconato de sódio 16 Naftaleno sulfonado de sódio Polímero formaldeído 26

30 Aditivos Redutores de Água Efeito no sistema água-cimento Efeitos de superfície inicial: 1 Forças de atração de Van der Walls são de grande magnitude mas só atuam para distâncias entre partículas de 5 a 7 mm. 2 Repulsão elétrica devido à natureza catódica das valências livres na superfície das partículas de cimento são de menor magnitude mas atuam em distâncias entre partículas de até 15nm.

31 Aditivos Redutores de Água Efeito no sistema água-cimento Efeitos de superfície inicial: A adsorção dos aditivos na superfície dos produtos da hidratação do cimento diminui a atração entre partícula devido à repulsão iônica.

32 Aditivos Redutores de Água Efeito no sistema água-cimento Efeitos na cinética e nos produtos da hidratação: Efeitos no calor de hidratação

33 Aditivos Redutores de Água Efeito no sistema água-cimento Efeitos na cinética e nos produtos da hidratação: Interpretação do modo de ação Considera-se que os aditivos redutores de água operam por adsorção sobre os produtos de hidratação do C 3 A e C 3 S formando uma película de aditivo na interface água/cimento.

34 Aditivos Redutores de Água Efeito no sistema água-cimento Efeitos na cinética e nos produtos da hidratação: Interpretação do modo de ação Isso resulta em uma repulsão elestrostática das partículas, reduzindo a fricção entre as partículas, exigindo menor quantidade de energia para induzir o escoamento no sistema.

35 Aditivos Redutores de Água Efeito nas propriedades do concreto fresco Ar incorporado: Devido ao processo de mistura do concreto já ocorre uma incorporação de ar da ordem de 1,5%. O uso de aditivos redutores de água aumenta este teor, variando com a dosagem e o tipo de aditivo, sendo em média 1% a mais.

36 Aditivos Redutores de Água Efeito nas propriedades do concreto fresco Trabalhabilidade:

37 Aditivos Redutores de Água Efeito nas propriedades do concreto fresco Trabalhabilidade:

38 Aditivos Redutores de Água Efeito nas propriedades do concreto fresco Perda de trabalhabilidade:

39 Aditivos Redutores de Água Efeito nas propriedades do concreto fresco Redução de água: Depende de diversos fatores: - relação agregados/cimento; - trabalhabilidade desejada; - quantidade de aditivo adicionada; - características do cimento; - tipo de aditivo.

40 Aditivos Redutores de Água Efeito nas propriedades do concreto fresco Redução de água: Abatimento desejado (mm) Redução na relação água/cimento (%)

41 Aditivos Redutores de Água Efeito nas propriedades do concreto fresco Redução de água: Tipo de aditivo Nível de adição Relação água/cimento Sem aditivo --- 0,55 Lignosulfonato Normal 0,51 2x 0,49 4x 0,47 Ácido hidrocarboxilíco 2x 0,48 4x 0,46

42 Aditivos Redutores de Água Efeito nas propriedades do concreto fresco Redução de água: Método de colocação (0,225% lignosulfonato de cálcio) Relação água/cimento Abatimento (mm) Redução de água (%) Sem adição 0, Inicial (junto com a água) 0, ,8 Após 2 min de mistura 0, ,8 Após 2 min de mistura 0, ,6

43 Aditivos Redutores de Água Efeito nas propriedades do concreto endurecido Parâmetros do projeto estrutural: Resistência: Tipo de agregado Relação água/cimento Aditivo Fc 28 (MPa) Ft 28 (MPa) Quartzo 0,65 Não 30,0 29,6 0,65 Sim 29,3 29,2 Calcário 0,65 Não 29,2 30,5 0,65 Sim 26,7 32,5

44 Aditivos Redutores de Água Efeito nas propriedades do concreto endurecido Parâmetros do projeto estrutural: Permeabilidade:

45 Aditivos Redutores de Água Efeito nas propriedades do concreto endurecido Aspectos de durabilidade: Resistência a sulfatos: - Melhora no caso da redução da relação a/c. - Piora no caso da redução do consumo de cimento.

46 Aditivos Redutores de Água Efeito nas propriedades do concreto endurecido Aspectos de durabilidade: Resistência a sulfatos: Amostra Realção a/c Fator de durabilidae (Ck) 10 meses 20 meses 28 meses Referência 0,50 1,00 0,73 0,45 Com plastificante 0,47 1,02 0,94 0,87 Com plastificante e redução da quantidade de cimento 0,50 0,94 0,45 0,33

47 Aditivos Superplastificantes Definições Química Efeito no sistema água-cimento Efeito nas propriedades do concreto fresco Efeito nas propriedades do concreto endurecido

48 Definições Aditivos Superplastificantes São uma categoria especial de agentes redutores de água formulado a partir de materiais que permitem maiores reduções de água sem os efeitos colaterais de incorporação de ar ou retardo da pega.

49 Aditivos Superplastificantes Química Os materiais utilizados são: - Formaldeídeo sulfonado naftaleno (SNF); - Formaldeído sulfonado melamina (SMF); - Polímeros à base de poliacrilatos.

50 Química Aditivos Superplastificantes Formaldeídeo sulfonado naftaleno: Foi um dos primeiros materiais referenciados como agente redutor de água, mas somente na década de 1970 teve uma aplicação mais extensiva na produção dos aditivos.

51 Química Aditivos Superplastificantes Formaldeídeo sulfonado naftaleno: É produzido a partir do naftaleno pela sulfonação de óleo ou trióxido de enxofre sob condições propícias para a formação do sulfonado b. Comercialmente possui uma quantidade de sólidos de 25% a 45%.

52 Química Aditivos Superplastificantes Formaldeídeo sulfonado melamina: Foi desenvolvido na década de 1950 como dispersante para várias indústrias, mas somente após 10 anos foi reconhecida a possibilidade de utilizá-lo em concretos.

53 Química Aditivos Superplastificantes Formaldeídeo sulfonado melamina: Este produto pode ser utilizado sozinho ou em conjunto com o SNF. Quando utilizado sozinho apresenta pequeno efeito sobre a incorporação de ar e o tempo de pega. Para diminuir a perda de slump é adicionado ácido hidrocarboxílico em sua formulação.

54 Química Aditivos Superplastificantes Formaldeídeo sulfonado melamina: As principais características deste tipo de aditivo são: Característica Valor Concentração de sólidos 20% Viscosidade a 20º C 10 cp ph 8,5 Densidade a 20º C 1,12

55 Química Poliacrilatos: Aditivos Superplastificantes Os vários tipos de polímeros poliacrilatos são produzidos a partir de monômeros relevantes pelo processo de radical livre usando peróxido iniciador, e podem ser polímeros em bloco ou aleatórios dependendo do grau de pré-polimerização do monômero usado.

56 Aditivos Superplastificantes Efeito no sistema água-cimento Para o melhor entendimento de como os superplastificantes atuam nas propriedades do concreto, os estudos costumam ser feitos, por conveniência, em pastas de cimento.

57 Aditivos Superplastificantes Efeito no sistema água-cimento Efeitos reológicos A reologia das pastas de cimento é estudada com a utilização de um viscosímetro, e analisa-se a relação taxa de cisalhamento x tensão de cisalhamento.

58 Aditivos Superplastificantes Efeito no sistema água-cimento Efeitos reológicos

59 Aditivos Superplastificantes Efeito no sistema água-cimento Efeitos reológicos Admite-se que as pastas de cimento apresentam um comportamento plástico segundo a Lei de Bingham, onde o ponto onde a curva taxa de cisalhamento x tensão de cisalhamento intercepta a abscissa está relacionado com a coesão e a declividade da curva é a viscosidade aparente, relacionada com a consistência ou trabalhabilidade do sistema.

60 Aditivos Superplastificantes Efeito no sistema água-cimento Efeitos reológicos Os superplastificantes diminuem a tensão de cisalhamento e a viscosidade plástica das pastas. Em altas dosagens, o sistema se aproxima de um fluido Newtoniano.

61 Aditivos Superplastificantes Efeito no sistema água-cimento Adsorção Os aditivos redutores de água são adsorvidos pelo cimento hidratado, não permanecendo em solução. A adsorção é estudada através da filtragem de uma pasta de cimento com aditivo, em diversos períodos de tempo, e calculada pela diferença de aditivo utilizado e o existente na solução filtrada.

62 Aditivos Superplastificantes Efeito no sistema água-cimento Adsorção SMF e SNF são adsorvidos rapidamente pelo C 3 A e mais lentamente pelas fases silicatos.

63 Aditivos Superplastificantes Efeito no sistema água-cimento Adsorção A quantidade de superplastificante adsorvida é dependente de: - Tipo de cimento; - Finura do cimento; - Taxa C 3 S/C 2 S e C 3 A/C 4 AF.

64 Aditivos Superplastificantes Efeito no sistema água-cimento Cinética da hidratação Fase C 3 A O SNF e o SMF retardam a hidratação do C 3 A.

65 Aditivos Superplastificantes Efeito no sistema água-cimento Cinética da hidratação Fase C 3 A O peso molecular do aditivo SNF influencia na velocidade do processo de hidratação do C 3 A. A presença de sulfatos com estes aditivos retarda a conversão de etringita em monossulfatos.

66 Aditivos Superplastificantes Efeito no sistema água-cimento Cinética da hidratação Fase C 3 S O SNF e o SMF retardam a hidratação do C 3 S.

67 Aditivos Superplastificantes Efeito no sistema água-cimento Cinética da hidratação Fase C 3 S Após o retardo inicial do C 3 S, ocorre um processo de hidratação acelerado até os 28 dias, resultando em um grau de hidratação da pasta igual ou superior ao da pasta sem aditivo.

68 Aditivos Superplastificantes Efeito no sistema água-cimento Cinética da hidratação Fase C 3 S O tipo de quantidade de sulfato e de álcalis influencia no grau de retardo na hidratação da fase C 3 S. O peso molecular do aditivo influencia no grau de hidratação do C 3 S.

69 Aditivos Superplastificantes Efeito nas propriedades do concreto fresco Ar incorporado Diferentes tipos de superplastificantes alteram a quantidade de ar incorporado no concreto no estado fresco e o efeito também depende do modo como o aditivo é utilizado.

70 Aditivos Superplastificantes Efeito nas propriedades do concreto fresco Ar incorporado Quando o intuito é produzir concretos com grande trabalhabilidade, maior quantidade de ar será incorporada, sendo o efeito maior nos aditivos à base de SNF e poliacrilatos e menores nos SMF.

71 Aditivos Superplastificantes Efeito nas propriedades do concreto fresco Ar incorporado Quando o intuito é reduzir a relação água/cimento, o aumento na quantidade de ar incorporado será mínima, especialmente em concretos com alto consumo de cimento.

72 Aditivos Superplastificantes Efeito nas propriedades do concreto fresco Trabalhabilidade Perda de abatimento.

73 Aditivos Superplastificantes Efeito nas propriedades do concreto fresco Trabalhabilidade Perda de abatimento, Poliacrilato x SNF.

74 Aditivos Superplastificantes Efeito nas propriedades do concreto fresco Tempo de atuação Depende de diversos fatores, tais como tipo de superplastificante, cimento, finos, dosagem e forma de uso.

75 Aditivos Superplastificantes Efeito nas propriedades do concreto fresco Tempo de atuação Quando usado para aumentar a trabalhabilidade, tem-se: SMF < SNF < Poliacrilatos. Quando usado para reduzir a/c mantendo o slump, apresentam desempenho muito similar.

76 Aditivos Superplastificantes Efeito nas propriedades do concreto endurecido Resistência à compressão Quando utilizado para aumentar a trabalhabilidade, não apresenta grandes efeitos sobre a resistência, mas quando utilizado para diminuir a relação a/c mostra grande incremento de resistência.

77 Aditivos Superplastificantes

78 Aditivos Superplastificantes

79 Definições Aditivos Incorporadores de Ar Os aditivos incorporadores de ar são materiais orgânicos, adicionados na água de amassamento do concreto, que promovem a entrada de uma quantidade controlada de ar, na forma de microbolhas, uniformemente dispersas na massa de concreto. Durabilidade a gelo/degelo Coesão Densidade

80 Química Aditivos Incorporadores de Ar A literatura descreve diversos tipos de surfactantes para compor as formulações dos aditivos incorporadores de ar. Os mais utilizados são: - Resinas de madeiras neutralizadas; - Ácidos gordurosos; - Alquil-aril sulfonato; - Alquil sulfonato; - Etoxilatos fenólicos.

81 Química Aditivos Incorporadores de Ar Resinas de madeira neutralizadas São materiais derivados de resinas de madeira, constituídos por misturas complexas contendo ácido acético, ácido primário e compostos fenólicos. O produto final é uma solução aquosa com 5% a 20% de material ativo.

82 Química Ácidos gordurosos Aditivos Incorporadores de Ar São produtos derivados de óleo de coco e petróleo, sendo compatíveis com lignosulfonatos e ácido hidrocarboxílicos para a produção de incorporadores de ar com capacidade de reduzir água O produto final é uma solução aquosa com 5% a 20% de material ativo.

83 Química Alquil-aril sulfonatos Aditivos Incorporadores de Ar O produto mais utilizado é o ortododecilbenzeno sulfonato, que é uma base surfactante derivada do petróleo.

84 Química Alquil sulfonatos Aditivos Incorporadores de Ar Existem diversos materiais que se enquadram nesta classe, sendo compatíveis com agentes redutores de água.

85 Química Etoxilatos fenólicos Aditivos Incorporadores de Ar Estes produtos diferem dos demais por se tratar de materiais não iônicos. São muito efetivos em baixos níveis de adição e as soluções possuem dosagens de 2% a 4% da massa de água.

86 Aditivos Incorporadores de Ar Efeito no sistema água-cimento Tipo e concentração de aditivo

87 Aditivos Incorporadores de Ar Efeito no sistema água-cimento Tipo e concentração de aditivo

88 Aditivos Incorporadores de Ar Efeito no sistema água-cimento Tipo de cimento e relação a/c

89 Aditivos Incorporadores de Ar Efeito no sistema água-cimento Tipo de cimento e relação a/c

90 Aditivos Incorporadores de Ar Efeito no sistema água-cimento Química da hidratação do cimento

91 Aditivos Incorporadores de Ar Efeito no sistema água-cimento Química da hidratação do cimento Para aditivos à base de sódio, pico do C 3 S não é afetado, mas o pico do C 3 A é acelerado e divido em 2 para altas dosagens de aditivo, porque as reações da etringita e dos monossulfatos são retardadas.

92 Aditivos Incorporadores de Ar Efeito no sistema água-cimento Química da hidratação do cimento Para outros aditivos aniônicos, altas dosagens conduzem os retardo do pico do C 3 S e o pico do C 3 A é acelerado. Os materiais não iônicos produzem efeitos.

93 Ensaios de caracterização dos aditivos Determinação do ph Determinação do teor de sólidos Determinação da massa específica Determinação de cloretos Homogeneidade (análise infravermelho)

94 Ensaios de caracterização dos aditivos Sempre fazer a verificação da compatibilidade cimento x aditivo. De maneira prática, o desempenho do aditivo depende de fatores como: Cimento: tipo, marca, lote, local de fabricação, consumo; Adições: tipo e consumo; Agregados: forma, tipo (natural ou artificial), granulometria e proporções; Presença de outros aditivos; Tempo e seqüência de mistura do concreto; Temperatura e umidade relativa do ar (ambientes); Temperatura dos materiais do concreto e do concreto após a mistura; Consistência inicial do concreto (sem aditivo).