ESTUDO SOBRE COMPATIBILIDADE ENTRE CIMENTO PORTLAND COMPOSTO E ADITIVOS SUPERPLATIFICANTES

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA ENGENHARIA CIVIL LÍVIA CHAGAS ARAÚJO BISPO ESTUDO SOBRE COMPATIBILIDADE ENTRE CIMENTO PORTLAND COMPOSTO E ADITIVOS SUPERPLATIFICANTES Feira de Santana 2009

2 LÍVIA CHAGAS ARAÚJO BISPO ESTUDO SOBRE COMPATIBILIDADE ENTRE CIMENTO PORTLAND COMPOSTO E ADITIVOS SUPERPLATIFICANTES Esta monografia é a avaliação do Trabalho Final de Curso, realizado pela disciplina Projeto Final II, do Curso de Engenharia Civil da Universidade Estadual de Feira de Santana, outorgada pelo Departamento de Tecnologia e ministrada pela Professora e Coordenadora Eufrosina de Azevedo Cerqueira. Orientador: Prof. Mestre em Estruturas Elvio Antonino Guimarães Feira de Santana 2009

3 LÍVIA CHAGAS ARAÚJO BISPO ESTUDO SOBRE COMPATIBILIDADE ENTRE CIMENTO PORTLAND COMPOSTO E ADITIVOS SUPERPLATIFICANTES A presente monografia foi avaliada e aprovada pelos membros em destaque, no intuito da aprovação da graduanda no Trabalho Final de Curso, realizado pela disciplina Projeto Final II, do Curso de Engenharia Civil da Universidade Estadual de Feira de Santana, outorgada pelo Departamento de Tecnologia. Feira de Santana, 31 de agosto de Prof. Mestre em Estruturas Elvio Antonino Guimarães Universidade Estadual de Feira de Santana Profa. Doutora Cintia Maria Ariani Fontes Universidade Estadual de Feira de Santana Prof. Mestre Antonio Freitas da Silva Filho Universidade Estadual de Feira de Santana

4 DEDICATÓRIA À Deus. Minha fortaleza e refúgio.

5 AGRADECIMENTOS À Deus, que até aqui tem guiado os meus passos, À minha família, especialmente ao meu esposo Orlando, por estar sempre ao meu lado e pelo apoio incondicional, Aos amigos, obrigada pelo apoio e orações, Ao professor Elvio Guimarães, pela atenção, orientação, paciência e compreensão, Ao Labotec, em especial aos técnicos Erinaldo e Sérgio, E a todos que a todos aqueles que participaram de forma direta e indireta, contribuindo da melhor forma possível para a realização deste trabalho. Não te assombres porque Eu sou teu Deus

6 RESUMO Este trabalho é um estudo sobre compatibilidade entre o cimento Portland CP II Z 32 e dois aditivos superplastificantes disponíveis no mercado. Uma das principais propriedades do concreto fresco é a trabalhabilidade, propriedade que determina o esforço necessário para manipular uma quantidade de concreto fresco com uma perda mínima de homogeneidade (MEHTA E MONTEIRO, 1994). O uso de aditivos superplastificantes permite o aumento da trabalhabilidade do concreto, através da melhor distribuição das partículas de cimento. A compatibilidade entre o cimento Portland e o aditivo superplastificante, representa uma única dosagem que resulta na obtenção de uma trabalhabilidade elevada por um período de tempo suficientemente longo. Foi utilizado neste trabalho o método do cone de Marsh para avaliar a compatibilidade entre o cimento Portland composto e os superplastificantes, SP A e SP B. O objetivo deste ensaio é determinar o ponto de saturação, que determina a dosagem ótima do superplastificante que deve ser usado para o tipo de cimento citado acima e se eles são compatíveis ou não. Para os superplastificantes utilizados, o SP B apresentou compatibilidade com o cimento, já o SP A, necessita de maiores estudos, visto que este superplastificante apresentou curvas atípicas, talvez por necessitar de um tempo maior de interação com o cimento para potencializar seu efeito. Já o SP B, apresentou ponto de saturação correspondente à dosagem máxima especificada. Palavras-chave: Cimento Portland, superplastificante, compatibilidade, trabalhabilidade, cone de Marsh.

7 ABSTRACT This is a study about compability of Portland cement CP II-Z interacting with two superplasticizers available in the market. One important characteristic in fresh concret is workability, that propriety defines the necessary effort to manipulate some amount of concrete with minimun loss of homogeneity (MEHTA E MONTEIRO, 1994). The use of superplasticizers allows a increase of workability in concrete with better distribution of cement particles and cement hydration. The compatibility between Portland cement and superplasticizer additive, represents a single dosage that results in high workability for an enough time. The method of Marsh cone was used in this paper to assess the compatibility between Portland cement and superplasticizer, SP A and SP B. This test objective is determine the saturation point and determine the optimum dosage of superplasticizer to use with cement type mentioned and verify the compability. For the used superplasticizer, SP B the compatibility with cement was verified, since the SP A, needs more studies, since this superplasticizer was described by atypical curves. The SP A requires a longer interaction with cement to enhance its effect. The SP B, showed saturation point corresponding to the maximum dosage specified. Keywords: Portland cement, superplasticizer, compability, workability, Marsh cone.

8 SUMÁRIO 1 Introdução Importância do tema Justificativa Objetivo Metodologia Estrutura 5 2 Revisão bibliográfica Cimento Portland Obtenção Composição química Tipos de cimento Hidratação do cimento Finura Aditivos superplastificantes Mecanismo de funcionamento dos superplastificantes Concreto Concreto fresco Trabalhabilidade Medidas de trabalhabilidade Fatores que afetam a trabalhabilidade Perda de abatimento Coesão Segregação e exsudação Tempo de pega Compatibilidade entre cimento Portland e aditivo superplastificante Método do cone de Marsh Método do miniabatimento 39 3 Programa experimental Desenvolvimento do programa experimental Caracterização dos materiais 42

9 3.2.1 Cimento Superplastificante Estudo piloto Descrição do método de ensaio Preparo dos sistemas produzidos em laboratório Método do cone de Marsh 47 4 Resultados 51 5 Considerações finais Conclusão Sugestões para trabalhos futuros 57

10 LISTA DE TABELAS Tabela 3.1 Especificações técnicas do SP A 43 Tabela 3.2 Especificações técnicas do SP B 43 Tabela 3.3 Resultados da verificação do teor de sólidos - SP A 44 Tabela 3.4 Resultados da verificação do teor de sólidos - SP B 44 Tabela 3.5 Características dos sistemas produzidos em laboratório SP A 46 Tabela 3.6 Características dos sistemas produzidos em laboratório SP B 46 Tabela 4.1 Tempo de escoamento do cone de Marsh a 5 min SP A 51 Tabela 4.2 Tempo de escoamento do cone de Marsh a 60 min SP A 51 Tabela 4.3 Tempo de escoamento do cone de Marsh a 5 min SP B 53 Tabela 4.4 Tempo de escoamento do cone de Marsh a 60 min SP B 54

11 LISTA DE FIGURAS Figura 2. 1 Aparelho do ensaio de abatimento (molde) 25 Figura 2.2 Ensaio de abatimento 26 Figura 2. 3 Aparelho Vebe 27 Figura 2. 4 Aparelho do ensaio do fator de adensamento 28 Figura 2.5 Aparelho do ensaio de remoldagem 29 Figura 2. 6 Representação esquemática do aspecto da mistura 33 Figura 2. 7 Croqui do funil utilizado para o ensaio de cone de Marsh 38 Figura 2. 8 Aparelhagem utilizada no método de ensaio do mini-abatimento 39 Figura 3. 1 Etapas do programa experimental 41 Figura 3. 2 Variáveis do programa experimental 41 Figura 3. 3 Vista geral do aparato do método do cone de Marsh 48 Figura 3. 4 Balança eletrônica BG Figura 3.5 Argamassadeira Pavitest 50 Figura 4. 1 Tempo de escoamento X teor de superplastificante - SP A 52 Figura 4. 2 Tempo de escoamento X teor de superplastificante - SP B 54

12 LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS ABCP Associação Brasileira de Cimento Portland ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas a/c Relação água/cimento CAD Concreto de alto desempenho CP Cimento Portland C-S-H Silicato de cálcio hidratado C 2 S Silicato dicálcico C 3 A Aluminato tricálcico C 3 S Silicato tricálcico C 4 AF Ferroaluminato tetracálcico ºC Grau Celsius h Horas Kgf Kilograma-força µm Micrômetro min Minutos mm Milímetros ml Mililitro NBR Norma Brasileira Regulamentadora NM Norma Mercosul SP A Superplastificante tipo A SP B Superplastificante tipo B TS Teor de sólidos

13 1 INTRODUÇÃO O concreto, utilizado atualmente para a construção dos mais diversos tipos de estruturas, é fruto do trabalho de inúmeros pesquisadores, que durante anos observaram a natureza e se esmeraram por aperfeiçoar materiais, técnicas, teorias e formas estruturais. Os avanços tecnológicos na área da engenharia civil são notados na utilização de novos equipamentos, processos construtivos, no uso de novos materiais e na melhoria das qualidades de materiais já existentes. Exemplo disso é o Concreto de Alto Desempenho (CAD), originado a partir de modificações das características do concreto convencional em função do uso de aditivos e adições minerais e de um melhor controle na produção e escolha dos componentes. As propriedades do concreto endurecido dependem da dosagem, ou seja, dos materiais constituintes e da proporção entre estes. Segundo Mehta e Monteiro (1994), os aditivos, conforme suas características proporcionam ao concreto vantagens como: aumentar a plasticidade do concreto sem aumentar o teor de água, reduzir a segregação e a exsudação, retardar e acelerar o tempo de pega, acelerar a velocidade de desenvolvimento da resistência nas primeiras idades e aumentar a durabilidade em condições específicas de exposição. Os aditivos plastificantes e superplastificantes permitem o aumento da trabalhabilidade do concreto, sem aumento do consumo de água; redução do consumo de água, mantendo a mesma trabalhabilidade, trazendo assim maior resistência; redução da água e do cimento, na mesma proporção, mantendo a mesma trabalhabilidade e a mesma resistência original, entre outros (VEDACIT, 2005). Quando da utilização do superplastificante, a melhor combinação cimento/superplastificante deve ser adotada, garantindo a trabalhabilidade desejada para o transporte, lançamento, adensamento e acabamento do concreto.

14 A análise da compatibilidade cimento/superplastificante é baseada no estudo do comportamento reológico da pasta de cimento, através dos métodos do miniabatimento e do cone de Marsh, que nos permite encontrar a melhor combinação entre o cimento e o superplastificante e a dosagem ideal. Os dois ensaios citados são rápidos e requerem quantidades mínimas de materiais, se comparados com os ensaios realizados em concreto. O ponto de saturação, interseção de duas linhas obtidas a partir dos métodos do miniabatimento e do cone de Marsh, corresponde ao ponto em que qualquer aumento na dosagem do superplastificante não produz nenhum efeito na reologia da pasta (AÏTCIN, 2000). As características do concreto fresco, tal como trabalhabilidade, terão influência significativa sobre as propriedades do concreto endurecido, como resistência e durabilidade. É então essencial que a consistência da mistura do concreto seja tal que este possa ser transportado, lançado, adensado e acabado com suficiente facilidade e sem segregação. 1.1 IMPORTÂNCIA DO TEMA Atualmente os aditivos químicos, entre eles os aditivos superplastificantes, têm sido muito utilizados em concretos para modificar suas propriedades. Entretanto, têm ocorrido problemas com o uso destes aditivos, tais como: acentuada perda de fluidez, enrijecimento precoce e, excessiva incorporação de ar. Alguns destes problemas podem ser associados à incompatibilidade entre o aditivo e o cimento utilizados, ou a dosagem inadequada do aditivo (MAILVAGANAM, 1999, apud MONTE E FIGUEREDO, 2004). Nem todos os superplastificantes comerciais funcionam tão eficientemente com todos os cimentos Portland, mesmo que as suas especificações técnicas possam ser muito

15 similares (AÏTCIN, 2000). Por isso, a seleção do superplastificante é imprescindível para a produção de maior fluidez do concreto. Uma dosagem excessiva de superplastificante pode resultar na segregação da mistura (NEVILLE, 1997). Portanto, a melhor combinação cimento/superplastificante deve ser adotada. 1.2 JUSTIFICATIVA O concreto é um material composto por uma mistura de cimento Portland, agregados (graúdo e miúdo) e água, além de materiais eventuais, os aditivos e adições minerais. Os avanços da tecnologia na produção de concreto levaram ao desenvolvimento do CAD, com a melhoria das propriedades/características do concreto convencional, aumentando sua resistência e durabilidade. Para tanto é necessário o uso de aditivos superplastificantes. A escolha dos materiais que comporão a mistura para a formação do CAD é de fundamental importância para o alcance dos objetivos pretendidos com o uso deste produto. O grande desafio em relação ao aditivo é o tempo de ação deste, que deixa de exercer seu efeito, e o concreto que antes era fluido e extremamente trabalhável, começa a perder abatimento ou consistência. Nem todos os tipos e marcas de superplastificantes reagem da mesma forma com um determinado cimento. Isto é um indicativo de problemas de compatibilidade. O estudo de compatibilidade entre material cimentício e superplastificante trata-se de uma importante ferramenta, para estimar-se da melhor forma, o comportamento reológico do concreto fresco (AÏTCIN, 2000).

16 O presente trabalho pretende estudar a compatibilidade entre cimento Portland e aditivos superplastificantes disponíveis no mercado de Feira de Santana utilizando o método do cone de Marsh. 1.3 OBJETIVO Objetivo geral Realizar um estudo sobre o cimento Portland e os aditivos superplastificantes Objetivo específico Estudar a compatibilidade entre cimento Portland e aditivos superplastificantes. 1.4 METODOLOGIA A primeira parte deste trabalho refere-se à revisão bibliográfica sobre os assuntos pertinentes ao tema. Posteriormente, foi realizada uma coleta de materiais, os quais foram submetidos a ensaios de caracterização. O ensaio do Funil ou Cone de Marsh foi usado para determinar a quantidade de superplastificante responsável pela obtenção de uma fluidez máxima da pasta para uma dada relação água/cimento, com a finalidade de verificar a compatibilidade entre cimento Portland e superplastificante.

17 Ao final, os resultados obtidos nos ensaios foram analisados, para formulação da conclusão do trabalho. 1.5 ESTRUTURA O presente trabalho está estruturado em cinco capítulos. O primeiro é composto por uma introdução ao tema, seguido da importância, justificativa e objetivos do trabalho, bem como a metodologia aplicada e a estrutura da monografia. O segundo capítulo é a revisão bibliográfica, abordando um breve estudo sobre concreto, principalmente ao estado fresco, cimento Portland e aditivos superplastificantes, além dos ensaios utilizados para estudar a compatibilidade entre o cimento e o aditivo. No terceiro capítulo é descrito o programa experimental, com materiais e metodologias para os ensaios. No quarto capítulo, são apresentados e discutidos os resultados obtidos nos ensaios. Já o capítulo cinco refere-se à conclusão do trabalho.

18 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 CIMENTO PORTLAND Para a NBR 5732/1991, cimento Portland é definido como aglomerante hidráulico obtido pela moagem de clínquer Portland ao qual se adiciona, durante a operação, a quantidade necessária de uma ou mais formas de sulfato de cálcio. Durante a moagem é permitido adicionar a esta mistura materiais Pozolânico, escórias granuladas de altoforno e/ou materiais carbonáticos. Segundo a ASTM C 150/1991, Cimento Portland é definido como um aglomerante hidráulico produzido pela moagem do clínquer, que consiste essencialmente de silicatos de cálcio hidráulicos, usualmente com uma ou mais formas de sulfato de cálcio como um produto de adição. O cimento Portland é composto de clínquer e de adições. O clínquer é o principal componente e está presente em todos os tipos de cimento Portland. As adições podem variar de um tipo de cimento para outro e são principalmente elas que definem os diferentes tipos de cimento. São elas: as escórias de alto-forno, os materiais pozolânicos e os materiais carbonáticos (ABCP, 2002). Este autor define os materiais pozolânicos como rochas vulcânicas ou matérias orgânicas fossilizadas encontradas na natureza, certos tipos de argilas queimadas em elevadas temperaturas (550,0 C a 900,0 C) e derivados da queima de carvão mineral nas usinas termelétricas, entre outros. Materiais pozolânicos, quando pulverizados em partículas muito finas, apresentam a propriedade de ligante hidráulico. Esse efeito só será sentido se os materiais pozolânicos moídos em grãos finíssimos forem colocados em presença de outro material. O clínquer é um desses materiais, pois no processo de hidratação libera hidróxido de cálcio (cal) que reage com a pozolana.

19 2.1.1 Obtenção O cimento é obtido a partir das operações de moagem de mistura de calcário e argila em proporções adequadas; essa mistura é colocada em um forno onde é aquecida até praticamente o início da fusão, produzindo, após o resfriamento rápido, um material denominado clínquer. O clínquer é moído juntamente com o gesso, resultando no cimento Portland, como se encontra no mercado, na forma de pó muito fino, cinzento levemente esverdeado (GIAMMUSSO, 1992) Composição química O cimento Portland é um produto constituído por vários óxidos combinados formando compostos complexos que apresentam a propriedade de se combinarem com a água. O resultado é um material cristalino com características de resistência e aderência (GIAMMUSSO, 1992). Os principais constituintes do cimento Portland são CaO (C), SiO2 (S), Al2O3 (A) e Fe2O3 (F), que dão origem aos compostos 3CaO.SiO2 (silicato tricálcico C3S), 2CaO.SiO2 (silicato dicálcico C2S), 3CaO.Al2O3 (aluminato tricálcico - C3A) e 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (ferroaluminato tetracálcico C4AF). Os silicatos constituintes do cimento Portland não são compostos puros, possuem óxidos em pequenos teores que afetam seus arranjos atômicos, formas cristalinas e nas propriedades hidráulicas que eles apresentam como MgO, TiO2, MnO2, K2O e Na2O. Os principais são os óxidos de sódio - Na2O e de potássio K2O, também conhecidos como álcalis, que em reação com alguns agregados causam desintegração do concreto. Os silicatos de cálcio C3S e C2S são os compostos de maior concentração na composição do cimento, sendo o C3S o preponderante. Os silicatos de cálcio contêm

20 pequenas impurezas de alguns óxidos presentes no clínquer. O C3S impuro é conhecido como alita e o C2S impuro, como belita (NEVILLE, 1997). Além dos silicatos encontramos o aluminato e o ferroaluminato de cálcio - C3A e C4AF. Os cimentos podem conter vários aluminatos de cálcio, mas o principal aluminato do cimento Portland é o aluminato tricálcico. Encontram-se também as ferritas de cálcio, cujo composto mais comum é o C4AF (MEHTA e MONTEIRO, 1994). Tanto o C3A quanto o C4AF contêm impurezas em sua composição, como magnésio, sódio, potássio e sílica. Para Giammusso (1992), as principais características dos compostos do cimento Portland são: C3S endurecimento rápido, desprendimento moderado de calor de hidratação, altas resistências iniciais; C2S endurecimento lento, baixo calor de hidratação, altas resistências finais; C3A reação rapidíssima (controlada pelo gesso), calor de hidratação muito alto, resistência muito baixa; C4AF reação muito rápida, calor de hidratação alto, resistência desprezível Tipos de cimento Os principais tipos de cimento Portland oferecidos no mercado, e mais empregados na construção civil são (ABCP, 2002): Cimento Portland comum; Cimento Portland composto; Cimento Portland de alto-forno; Cimento Portland pozolânico.

21 São consumidos também, só que em menor escala, principalmente pelas características especiais de aplicação, os seguintes cimentos: Cimento Portland de alta resistência; Cimento Portland resistente aos sulfatos; Cimento Portland branco; Cimento Portland de baixo calor de hidratação Cimento para poços petrolíferos. Para Mehta e Monteiro (1994), o cimento Portland composto foi desenvolvido visando custo mais baixo e economia de energia. Dividem-se em cinco tipos: Tipo I: empregado em obras quando estas não requerem propriedades especiais específicas apresentadas pelos outros tipos. Não há limites impostos para nenhum dos quatro compostos principais do cimento. Tipo II: indicado para qualquer obra, especialmente quando se deseja moderada resistência ao sulfato ou moderado calor de hidratação. Como o C3A e o C3S produzem elevados calores de hidratação, a norma limita a quantidade máxima de C3A no cimento ao máximo de 8,0% e tem um limite máximo de 58,0% na soma de C3S e C3A. Tipo III: empregado quando se deseja alta resistência inicial. Para assegurar que a alta resistência não é devida principalmente aos produtos de hidratação do C3A, a norma limita o teor máximo de C3A no cimento em 15,0%. Tipo IV: indicado quando se deseja um baixo calor de hidratação. Uma vez que o C3S e o C3A produzem altos calores de hidratação, mas o C2S produz muito menos calor, a norma impõe limites máximos para os compostos C3S e C3A de 35,0% e 7,0%, respectivamente, e estabelece um mínimo de 40,0% de C2S no cimento. Tipo V: empregado quando se deseja resistência ao sulfato. A norma estabelece um limite máximo de 5,0% de C3A que se aplicam quando o ensaio de expansão ao sulfato não é solicitado.

22 A ABNT define as classes de cimento Portland composto comercializados no Brasil. São eles: CP I: cimento Portland comum, que são designados pelas siglas CPI e CP I - S, que correspondem à presença ou não de adições. A NBR 5732/91, limita em 5,0% a composição de material pozolânico para os cimentos CP I- S. CP II: cimento Portland composto, que são designados em função do tipo de adição utilizada. A NBR 11578/91 limita os teores de adições nos cimentos Portland composto conforme especificado a seguir. As adições empregadas são: escória granulada de alto forno (E), material pozolânico (Z) e material carbonático (F). CP II E: o teor de escória granulada de alto forno varia de 6,0 a 34,0%, e o teor de material carbonático compreende-se entre 0 e 10,0%. CP II Z: o teor de material pozolânico varia de 6,0 a 14,0%, e o teor de material carbonático compreende-se entre 0 e 10,0%. CP II F: o teor de material carbonático compreende-se entre 6,0 e 10,0%. CP III: cimento Portland de alto forno, onde o teor de escória granulada de alto forno varia de 35,0 a 70,0%, e o teor de material carbonático compreende-se entre 0 e 5,0% (NBR 5735, 1991). CP IV: cimento Portland pozolânico, o teor de materiais pozolânicos secos deve estar compreendido entre 15,0% e 50,0% da massa total de aglomerante, e o teor de material carbonático compreende-se entre 0 e 5,0% (NBR 5735, 1991). CP V: cimento Portland de alta resistência inicial, onde o teor de material carbonático compreende-se entre 0 e 5,0% (NBR 5733, 1991).

23 2.1.4 Hidratação do cimento Entrando em contato com a água, o cimento forma uma suspensão coloidal um gel, no qual se processam as reações de endurecimento (GIAMMUSSO, 1992). O cimento Portland, quando em contato com a água, gera produtos com características de pega e endurecimento, o que fornece propriedades adesivas ao cimento. Esta reação entre o cimento e a água é chamada de hidratação do cimento (BRUNAUER e COPELAND apud MEHTA e MONTEIRO, 1994). Para este autor, o conhecimento das substâncias formadas quando o cimento Portland reage é importante, pois o cimento em si mesmo não é um material cimentante; os seus produtos de hidratação sim, têm propriedades aglomerantes. Ainda segundo o autor, a hidratação do cimento envolve duas etapas. A primeira, dissolução-precipitação, envolve a dissolução de compostos anidros em seus constituintes iônicos, formação de hidratos na solução e, devido à sua baixa solubilidade, precipitação de hidratos provenientes da solução supersaturada. A segunda, topoquímico ou hidratação no estado sólido, ocorrem reações na superfície dos componentes do cimento sem entrarem em solução. Como o cimento Portland possui vários compostos, a hidratação deste dá-se por reações dos vários compostos com água, simultaneamente, mas com velocidades diferentes. Os aluminatos, que se hidratam muito mais rapidamente que os silicatos, são responsáveis pelo enrijecimento e pega, enquanto os silicatos são responsáveis pelo endurecimento do concreto. A velocidade de hidratação do cimento diminui com o tempo (MEHTA e MONTEIRO, 1994). De acordo com Aïtcin (2000) durante a mistura cimento/água, os diferentes íons liberados pelas diferentes fases entram em solução. A superfície das partículas é parcialmente coberta com silicato de cálcio hidratado (C-S-H) e com etringita.

24 Após a rápida dissolução inicial, ocorre aumento do ph e do teor de íons Ca++ da água, tornando a dissolução das partículas mais lenta, é formada uma pequena quantidade de C-S-H, etringita e aluminato de cálcio hidratado, ocorrem também um equilíbrio entre os íons de alumínio e de sulfato, e alguma floculação de grãos de cimento. Quando o óxido de cálcio começa a precipitar-se, a velocidade de hidratação aumenta, as fases dos silicatos e aluminatos hidratados começam a criar ligações interpartículas, o que resulta no endurecimento progressivo da pasta de cimento. Com o avançar da hidratação, os grãos de cimento são cobertos por uma camada de hidratos, que vai se tornando cada vez mais espessa Finura Segundo Neville (1997), a hidratação do cimento inicia-se na superfície das partículas, é a área total da superfície do cimento que representa o material disponível para hidratação. Assim sendo, a velocidade de hidratação depende da finura das partículas de cimento, quanto mais fino o cimento mais rápido ele reagirá. A finura do cimento Portland influi nas propriedades do concreto em seu estado fresco. Quanto maior a finura, menor será a exsudação, maior a trabalhabilidade e a coesão dos concretos, mais rápida se dará a pega da mistura. Esta característica é um indício geral da qualidade do cimento; cimentos muito finos têm uma atividade maior, porém, tendem a uma retração mais intensa (GIAMMUSSO, 1992). Quanto mais fino o cimento, maior a dosagem necessária de superplastificante para se obter a trabalhabilidade desejada (NEVILLE, 1997).

25 2.2 ADITIVOS SUPERPLASTIFICANTES Os aditivos químicos são produtos adicionados em pequena quantidade durante a mistura do concreto com a finalidade de modificar ou melhorar suas propriedades ou evitar algumas deficiências que não são possíveis de contornar com os materiais básicos. Os aditivos são geralmente usados para: melhorar a trabalhabilidade, retardar ou acelerar a pega, melhorar a durabilidade, reduzir a água da mistura, melhorar a cura, melhorar a impermeabilidade do concreto, causar expansão do concreto, alterar a cor (VEDACIT, 2005). A NBR 11768/92 define aditivo superplastificante (tipo SP) como produto que aumenta o índice de consistência do concreto, mantida a quantidade de água de amassamento, ou que possibilita a redução de, no mínimo, 12,0% da quantidade de água de amassamento para produzir um concreto com determinada consistência. Os superplastificantes são polímeros orgânicos hidrossolúveis obtidos sinteticamente, usando um processo complexo de polimerização para obtenção de moléculas longas de elevada massa molecular. Possui baixo teor de impurezas, de modo que, mesmo em dosagens elevadas, não apresentam efeitos colaterais prejudiciais (NEVILLE, 1997). Para Monte e Figueredo (2004), os aditivos superplastificantes, são adicionados ao concreto com o objetivo de aumentar a fluidez do mesmo, reduzir a relação água/cimento (a/c) mantendo constante a consistência da mistura ou ainda, reduzir o consumo de cimento para uma mesma consistência e relação água/cimento do concreto. Os aditivos superplastificantes empregados em obras de construção civil são tensoativos aniônicos de cadeia longa e massa molecular elevada (NEVILLE, 1997). De acordo com a natureza química dos superplastificantes, estes podem ser classificados em quatro categorias:

26 Policondensado de formaldeído e melamina sulfonada chamada de melamina sulfonada; Policondensado de formaldeído e naftaleno sulfonado chamada de naftaleno sulfonado; Lignossulfonato; Poliacrilatos (AÏTCIN, 2000). Os aditivos superplastificantes de alta eficiência são produtos químicos a base de policarboxilatos que promovem grande dispersão dos finos da mistura possibilitando elevadíssimo aumento do índice de consistência e/ou elevada redução da quantidade da água de amassamento do concreto (BASF, 2007). O superplastificantes a base de policarboxilatos possibilita aos concretos com sílica uma significativa diminuição da permeabilidade com grande poder de aderência, coesão e isentos de segregação e exsudação. Além disso, devido à baixa porosidade, o concreto apresenta alta durabilidade (VEDACIT, 2005). Para a produção do CAD pode-se utilizar associação de dois desses componentes com o objetivo de melhorar o efeito do superplastificante na mistura. São também fabricados superplastificantes que são uma mistura desses componentes. Segundo Aïtcin (2000), as vantagens dos superplastificantes melamínicos são: não retardam a pega tanto quanto os naftalenos, uma superdosagem acidental não é tão crítica, pois possuem menor teor de sólidos (22,0%), incorporam menos ar, não afetam a coloração do concreto de cimento branco, apresentam melhor qualidade e confiabilidade do produto, se comparados com os naftalenos. Já os naftalenos apresentam as seguintes vantagens: teor de sólidos maior que os melamínicos, melhor relação custo-benefício para se obter determinado grau de trabalhabilidade, maior controle da reologia, pequeno retardamento de pega, são mais baratos e algumas marcas oferecem qualidade e confiabilidade excelentes.

27 Normalmente, os superplastificantes baseados em lignossulfonatos são usados em conjunto com os melamínicos ou naftalenos na produção do CAD Mecanismo de funcionamento dos superplastificantes As substâncias tensoativas consistem de moléculas orgânicas de cadeia longa, com uma extremidade hidrófila (que atrai água) e uma hidrófoba (que repele água). A extremidade hidrófila contém um ou mais grupos polares, como COO-, -SO3- OU NH3+ (MEHTA e MONTEIRO, 1994). Para Neville (1997), o principal efeito das moléculas longas é o de envolverem as partículas de cimento, conferindo-lhes uma carga altamente negativa de modo que elas passam a se repelir. Isso resulta uma defloculação e dispersão das partículas de cimento. O melhoramento resultante da trabalhabilidade pode ser aproveitado de dois modos: produzindo-se concreto com trabalhabilidade muito alta ou concreto com resistência muito alta. Quando uma pequena quantidade de água é adicionada ao cimento, sem a presença de tensoativos, não se obtém um sistema bem disperso, primeiro porque a água possui tensão superficial elevada, segundo, as partículas de cimento tendem a se aglomerar e formar flocos. Assim, quando um tensoativo é adicionado ao sistema água-cimento, a cadeia polar é adsorvida ao longo da superfície da partícula de cimento, orientando a extremidade polar em direção à água, diminuindo a tensão superficial desta e tornando a partícula de cimento hidrófila. Camadas de moléculas de água dipolares circundam as partículas hidrófilas de cimento, evitando a sua floculação e aumentando consideravelmente a fluidez do sistema (MEHTA e MONTEIRO, 1994). Para Coutinho (1973), a partícula do cimento adquire assim um potencial elétrico negativo criando uma repulsão eletrostática entre as partículas. Este potencial orienta

28 por sua vez os dipolos que constituem as moléculas de água em volta das partículas, formando-se, portanto, uma camada de moléculas de água, que impede a aproximação entre as partículas. Portanto, são três os fatores que contribuem para a dispersão e estabilidade dos grãos de cimento na água: redução da tensão intersuperficial, aumento do potencial eletrocinético e formação de uma camada protetora e aderente de moléculas de água. Segundo Giammusso (1992), os superplastificantes cuja substância ativa é a melanina são caracterizados por um período relativamente curto de atuação, entre 30 min e 45 min. Após, o aditivo perde o efeito e o concreto volta à consistência normal. Com os aditivos a base de naftaleno e de lignosulfonato, o tempo de atuação é maior, podendo se estender até 2,0 h ou mais. O efeito de fluidificação dura aproximadamente 35,0 minutos, com exceção dos superplastificantes à base de policarboxilatos que podem manter a fluidificação em até 1h 30min, dependendo da temperatura e da dosagem. Caso necessário, pode-se redosálo para que volte à fluidez inicial. A adição de uma pequena proporção de retardador (cerca de 5,0% sobre a massa do superplastificante) prolonga sua vida útil em torno de 60,0 minutos, sem praticamente alterar o tempo de pega (VEDACIT, 2005).

29 2.3 CONCRETO O concreto é um material composto que consiste essencialmente de um meio contínuo aglomerante, dentro do qual estão mergulhados partículas ou fragmentos de agregados. No concreto de cimento hidráulico, o meio aglomerante é formado por uma mistura de cimento hidráulico e água (MEHTA e MONTEIRO, 1994). Para este autor o concreto é o material de construção mais usado na engenharia. Existem várias razões para isso, uma é a excelente resistência do concreto à água, sem deterioração séria. Outra razão é a facilidade com que elementos estruturais de concreto podem ser executados, numa variedade de formas e tamanhos. Outro fator é que o concreto é um material barato e facilmente disponível, se comparado a outros materiais de construção, além de possibilitar o uso de resíduos da própria construção como matéria-prima em sua produção. Outro componente largamente utilizado na produção de concreto são os aditivos, utilizados com a finalidade de melhorar ou modificar as propriedades do concreto convencional dando origem aos concretos especiais, como o concreto de alto desempenho, concreto auto-adensável, etc. Quando os superplastificantes começaram a ser utilizados para reduzir a relação água/cimento ou água/aglomerante, ao invés de serem exclusivamente usados como fluidificantes para concretos convencionais, descobriu-se que concretos com uma relação água/cimento ou água/aglomerante muito baixa também tinham outras características melhoradas, tais como fluidez mais elevada, módulo de elasticidade mais alto, resistência à flexão maior, menor permeabilidade, resistência à abrasão melhorada e maior durabilidade (AÏTCIN, 2000). As principais propriedades do concreto endurecido são: resistência, durabilidade, estabilidade dimensional.

30 Considerando agregados de boa qualidade, a resistência da pasta endurecida é o principal fator responsável pela resistência do concreto, seguida da zona de transição. Num sólido, há uma relação inversa entre porosidade e resistência. A resistência da pasta depende da relação água/cimento e do grau de hidratação. Quanto maior a relação água/cimento, menor o grau de hidratação, maior a porosidade do concreto, menor será a resistência apresentada pelo mesmo (MEHTA e MONTEIRO, 1994). Este autor ressalta que para uma dada relação água/cimento, as misturas com abatimentos elevados tendem a exsudar, o que reduz a resistência do concreto. A segregação está ligada à duração das operações. Neste caso, o transporte deve ser feito o mais rapidamente possível para minimizar os efeitos de enrijecimento e perda de trabalhabilidade no momento do lançamento, espalhamento e adensamento do concreto. O grau de adensamento exerce influência direta sobre o volume de vazios no concreto, ligados à segregação e à exsudação. O concreto é um material naturalmente poroso. A água livre presente na mistura, poderá formar uma rede de canais capilares ou poros que, somada aos vazios que ocorrem na mistura devido ao ar incorporado, definirão a porosidade do material. Quando houver conexão entre estes vazios, teremos então um material sujeito à movimentação de líquidos e gases no seu interior. Quanto maior forem estes fatores, maior será a permeabilidade do material (NEVILLE, 1997). Quanto maior a permeabilidade do material, maior a chance de diminuição de sua durabilidade, uma vez que este poderá ser atacado por agentes externos agressivos tanto ao concreto, como as armaduras nele inseridas. A estabilidade dimensional está relacionada às deformações no concreto que ocorrem como um resultado da resposta do material à carga externa e ao meio ambiente. Podem levar à fissuração dada a baixa resistência à tração do concreto. A deformação mais importante notada no concreto é a retração (MEHTA e MONTEIRO, 1994).

31 A retração é a diminuição do volume durante a pega e o início do endurecimento do concreto, especialmente pela falta de água no mesmo, tanto pela hidratação do cimento ainda não hidratado, quanto pelas condições ambientais, quando a umidade relativa das estruturas de concreto tende a se balancear com a umidade do ambiente externo. Portanto, quanto maior a umidade do ambiente, menor a retração do concreto (ANDRADE, 1997). Além disso, a geometria do elemento é importante, pois peças de grande espessura tendem a ter menor retração que peças delgadas, função de apresentar maior percurso para água. Quando ocorre uma dosagem excessiva do superplastificante na mistura, esta apresenta efeitos como a excessiva incorporação de ar, que atua aumentara a porosidade do concreto e acarreta problemas como diminuição da durabilidade e resistência do concreto no estado endurecido.

32 2.4 CONCRETO FRESCO A seleção dos materiais apropriados e a dosagem destes são importantes para se obter um concreto que atenda as especificações de resistência e durabilidade na estrutura. No entanto, esse objetivo não pode ser atingido sem uma atenção adequada às operações as quais o concreto é submetido nas primeiras idades, quando o concreto recebe o nome de concreto fresco (MEHTA e MONTEIRO, 1994). O termo concreto fresco corresponde ao intervalo de tempo que abrange as operações de mistura, transporte, lançamento e adensamento do concreto. Esse tempo, se comparado à vida útil do concreto é insignificante, mas suas características terão influência significativa sobre as propriedades do concreto endurecido. Para Mehta e Monteiro (1994), as deficiências adquiridas pelo concreto fresco devido à perda de trabalhabilidade antes ou durante o lançamento nas fôrmas, segregação e exsudação durante o adensamento, e uma baixa taxa de crescimento de resistência, podem prejudicar o concreto permanentemente e reduzir a sua vida útil. Segundo Neville (1997), embora o concreto fresco tenha interesse transitório, a resistência de um concreto com determinadas proporções é influenciado pelo grau de adensamento. Portanto, é essencial que a consistência da mistura do concreto seja tal que o concreto possa ser transportado, lançado, adensado e acabado com suficiente facilidade e sem segregação.

33 2.4.1 Trabalhabilidade A palavra trabalhabilidade é um termo que se refere às propriedades do concreto no estado fresco. A trabalhabilidade, principal característica do concreto fresco, é definida pela ASTM C 125/1993 como a propriedade que determina o esforço necessário para manipular uma quantidade de concreto fresco com uma perda mínima de homogeneidade. Este esforço depende das propriedades reológicas do lubrificante (a pasta do cimento), do atrito interno entre as partículas dos agregados e do atrito externo entre o concreto e a superfície da fôrma (MEHTA e MONTEIRO, 1994). Trabalhabilidade é então o esforço empregado para neutralizar as forças de atrito interno e superficial, das fôrmas e armaduras, respectivamente (NEVILLE, 1997). A ACI 116R-90 define trabalhabilidade como a propriedade do concreto ou da argamassa recém-misturados que determina a facilidade e homogeneidade com a qual podem ser misturados, lançados, adensados e acabados. Para Petrucci (1982) trabalhabilidade é a propriedade do concreto que identifica sua maior ou menor aptidão para ser empregado com determinada finalidade, sem perda de sua homogeneidade. Para Sobral (1984), além da mistura preencher completamente a forma, o concreto fresco deve possuir suficiente habilidade para se depositar sem perder sua continuidade. Propriedade que o autor denomina plasticidade. O esforço necessário para adensar o concreto é regido pelas suas características de fluxo e pela facilidade com que a eliminação dos vazios pode ser atingida sem abalar a estabilidade. A estabilidade é um índice simultâneo de capacidade de retenção de água e de capacidade de retenção do agregado graúdo na massa de concreto fresco. Uma

34 medida qualitativa dessas características é usualmente denominada pelo termo coesão (MEHTA e MONTEIRO, 1994). Segundo este autor, a trabalhabilidade é composta de pelo menos dois componentes principais: fluidez, que descreve a facilidade de mobilidade, e coesão, que descreve a resistência à exsudação ou à segregação. Verçoza (1975), define consistência como a resistência momentânea do concreto fresco às forças que tendem a modificar sua forma. O autor ainda ressalta que os concretos têm consistência seca, média ou fluida. Os primeiros requerem adensamento mecânico, enquanto os fluidos podem ter adensamento normal. A trabalhabilidade não é uma característica intrínseca do concreto, pois está vinculada à natureza da obra, depende do tipo de estrutura e dos métodos de lançamento, adensamento e acabamento (MEHTA e MONTEIRO, 1994). Os aditivos plastificantes e superplastificantes permitem o aumento da trabalhabilidade do concreto, sem aumento do consumo de água; redução do consumo de água, mantendo a mesma trabalhabilidade (VEDACIT, 2005). Segundo Neville (1997), a trabalhabilidade diminui com o tempo e, consideravelmente, logo nos primeiros minutos após a mistura. Quanto maior a trabalhabilidade inicial, maior a perda de trabalhabilidade do concreto. Se autor ressalta ainda que a trabalhabilidade de uma mistura é influenciada também pela temperatura ambiente, além da temperatura do próprio concreto. Aumentando a temperatura do concreto, maior a quantidade de água a ser acrescentada para se obter o abatimento desejado. Além disso, em dias quentes o teor de água deve ser aumentado para se manter a trabalhabilidade inicial da mistura. A obtenção de um concreto com trabalhabilidade adequada não depende unicamente da quantidade de água utilizada. Nem sempre o acréscimo de água na mistura leva a uma maior trabalhabilidade, podendo, muitas vezes, levar à exsudação, à segregação, ou simplesmente, a um aumento do abatimento.

35 A trabalhabilidade depende de uma seleção e proporção adequada dos materiais e muitas vezes do uso de adições e aditivos. Os teores de pasta, de argamassa e de agregados, em função da trabalhabilidade desejada, devem ser compatibilizados. Isto se consegue mediante o conhecimento das características de cada componente e de seu proporcionamento correto na mistura. Para Aïtcin (2000), a quantidade total de agregados presente no traço, as proporções relativas de agregado miúdo e graúdo, a respectiva granulometria, a forma e a textura superficial das partículas são os principais fatores relacionados aos agregados que afetam a trabalhabilidade do concreto. À medida que a dimensão máxima do agregado diminui, é necessário adicionar mais água à mistura a fim de se manter a trabalhabilidade e, conseqüentemente, adicionar mais cimento para se manter a resistência desejada. Verçoza (1975), diz que o concreto deve apresentar uma trabalhabilidade tal que assegure plasticidade máxima, segregação mínima e consistência apropriada. Para Mehta e Monteiro (1994), a qualidade do concreto fresco é determinada por sua homogeneidade e pela facilidade com a qual esse material pode ser misturado, transportado, adensado e acabado, ou seja, pela trabalhabilidade que o mesmo apresenta. Este autor salienta ainda que uma mistura de concreto que não possa ser lançada facilmente ou adensado em sua totalidade provavelmente não fornecerá as características de resistência e durabilidade esperadas. A trabalhabilidade do concreto é fundamental para se conseguir compactação que assegure máxima densidade possível, com aplicação de uma quantidade de trabalho compatível com o processo de adensamento a ser empregado (SOBRAL, 1984). Um concreto trabalhável requer uma quantidade suficiente de argamassa para preencher os vazios entre os agregados e para lubrificar a superfície dos mesmos durante o seu lançamento. Caso não exista argamassa suficiente, o concreto resultante apresentará

36 uma trabalhabilidade pobre. Quanto maior o teor de argamassa no concreto, maior será seu abatimento e sua extensão de fluxo. A perda da trabalhabilidade com o tempo está relacionada à perda de abatimento. É muito importante na prática, principalmente se a distância entre a usina de concreto e a obra for considerável ou, ainda, se algum atraso imprevisto ocorrer. No caso de regiões onde a temperatura ambiente é alta, o problema da perda da trabalhabilidade é particularmente agudo (NEVILLE, 1997) Medidas de trabalhabilidade A trabalhabilidade não pode ser medida diretamente por ser expressa quantitativamente em termos de uma ou mais constantes físicas, dentre elas estão à fluidez e a consistência do concreto. Segundo Neville (1997), consistência é a mobilidade relativa ou capacidade de fluir do concreto ou argamassa. A consistência, medida pelo ensaio de abatimento do tronco de cone ou pelo aparelho Vebe, é usada como um simples índice da mobilidade ou fluidez do concreto fresco (MEHTA e MONTEIRO, 1994). Segundo Neville (1997) não existe um ensaio aceitável que determine diretamente a trabalhabilidade do concreto. No entanto, inúmeras tentativas têm sido feitas para correlacionar a trabalhabilidade com alguma grandeza física fácil de ser determinada. Inúmeros ensaios são empregados na tentativa de medir a trabalhabilidade de concretos, pastas e argamassas. Os métodos de ensaio variam desde simples testes a ensaios complexos que exigem equipamentos dispendiosos e operadores capacitados. Embora alguns testes sejam adequados para apenas uma pequena gama de misturas de concreto, tais testes podem fornecer informações úteis (FERRARIS, 2001).

37 Podemos citar ensaios que indiretamente avaliam a trabalhabilidade do concreto. Métodos de ensaios de fluxo confinado, como o fator de adensamento; métodos de ensaios de fluxo livre, como o abatimento do tronco de cone ou slump test; métodos de ensaios com vibração, entre outros. Entre os ensaios para medir a consistência do concreto, estão o ensaio de abatimento do tronco de cone, que é o mais utilizado para tal finalidade, e o ensaio Vebe. Ensaio de Abatimento do Tronco de Cone O equipamento usado para o ensaio de abatimento é composto por uma haste de socamento e de um tronco de cone de 300,0mm de altura, com diâmetro no topo de 100,0mm e na base de 200,0mm (Figura 2.1). Figura 2.1 Aparelho do ensaio de abatimento (molde) (Fonte: NBR NM 67:98) O ensaio consiste no preenchimento do tronco de cone com a mistura de concreto em três camadas cada camada é apiloada 25 vezes com uma barra de aço padronizada com 16,0mm de diâmetro, arredondada na extremidade, e em seguida é retirado

38 vagarosamente. Sem o suporte do tronco de cone, o concreto abate-se em função do peso próprio. A medida da diminuição da altura do tronco de cone é chamada de abatimento do concreto, como ilustrado na Figura 2.2. Figura 2.2 Ensaio de abatimento (Fonte: GIAMMUSSO, 1992) Esse ensaio não é indicado para medir a consistência de concretos muito fluidos ou muito secos, uma vez que as misturas com consistência rija têm abatimento zero. A principal função deste ensaio é fornecer um método simples e conveniente para controlar a uniformidade da produção de concreto de diferentes betoneiras, por isso é muito empregado em obras (MEHTA e MONTEIRO, 1994). Ensaio Vebe O equipamento utilizado no ensaio Vebe compõe-se de uma mesa vibratória, um recipiente cilíndrico, um tronco de cone e um disco de vidro ou plástico com movimento livre e descendente, usado como referência no final do ensaio (Figura 2.3). Durante o ensaio o tronco de cone, que está dentro do recipiente, é preenchido com concreto e removido. Posiciona-se o disco sobre o topo do tronco de cone, a mesa vibratória é ligada, e então medido o tempo necessário para desmoldar o concreto da forma tronco-cônica para a cilíndrica, de forma que o disco esteja em contato com todo o concreto. Esse tempo é chamado índice Vebe, medido em segundos, e é a medida da consistência do concreto.

39 Figura 2.3 Aparelho Vebe (Fonte: GIAMMUSSO, 1992) Ensaio do Fator de Adensamento É um dos ensaios mais apropriados para se medir a trabalhabilidade. Usa uma abordagem inversa dos demais, ou seja, determina-se o grau de adensamento obtido quando se aplica uma quantidade de trabalho. O grau de adensamento, denominado de fator de adensamento, é medido pela relação entre densidades, é a relação entre a massa específica obtida no ensaio e a massa específica do mesmo concreto plenamente adensado (NEVILLE, 1997). O aparelho consiste de dois recipientes com forma de cone, e um recipiente cilíndrico, com os eixos em uma mesma vertical. Os recipientes possuem comportas com dobradiças na parte inferior. Todas as superfícies internas são polidas para reduzir o atrito, como mostrado na Figura 2.4.

40 Figura 2.4 Aparelho do ensaio do fator de adensamento (Fonte: NEVILLE, 1997) Para realizar o teste, o recipiente superior é preenchido com concreto, mas não compactado. A comporta do fundo desse recipiente é aberta e o concreto cai para o recipiente inferior, menor que o superior. Uma vez que o concreto passou para o recipiente inferior, a comporta desse é então aberta para permitir que o concreto caia no cilindro. Remove-se o excesso de concreto com duas réguas deslizantes e determina-se a massa líquida do concreto que ficou dentro do molde, cujo volume é conhecido. Calcula-se a massa específica do concreto no cilindro, a qual dividida pela massa específica do concreto plenamente adensado representa o fator de adensamento. Esta última é obtida colocando-se concreto no molde em quatro camadas apiloadas ou vibradas (NEVILLE, 1997). Ensaio de Remoldagem Uma mesa de golpes é utilizada para avaliar a trabalhabilidade com base no trabalho necessário para mudar a forma de uma amostra de concreto (NEVILLE, 1997). É um bom ensaio de laboratório, principalmente para avaliação de misturas secas. Para realizar o ensaio um cone padrão do ensaio de abatimento é colocado no interior de um recipiente cilíndrico com 305,0mm de diâmetro e 203,0mm de altura, montado em