ESTUDO DOS COMPONENTES DA MISTURA PARA CONCRETO COMPACTADO COM ROLO (CCR) DE BARRAGEM, COM VISTAS A MELHORAR O SEU DESEMPENHO.

COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXVII SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS BELÉM PA, 03 A 07 DE JUNHO DE 2007 T0 A24 ESTUDO DOS COMPONENTES DA MISTURA PARA CONCRETO COMPACTADO COM ROLO (CCR) DE BARRAGEM, COM VISTAS A MELHORAR O SEU DESEMPENHO. Elizabeth Leopoldina BATISTA MSc, Engenharia Civil FURNAS Centrais Elétricas S.A Newton Goulart GRAÇA MSc, Engenheiro Civil FURNAS Centrais Elétricas S.A. RESUMO O estudo apresentado no presente trabalho procurou melhorar o desempenho do CCR através da investigação de alguns componentes da dosagem, de modo a viabilizar o seu uso para solicitações que requerem resistências e módulos de elasticidade mais elevados e baixas permeabilidades, sendo assim possível o seu emprego em locais previstos para o concreto convencional. O estudo possibilitou verificar a influência de cada material nas propriedades do CCR e o teor mais satisfatório de cada componente do concreto, tendo sido obtidas dosagens com baixos consumos de materiais cimentícios, resistências e permeabilidades compatíveis com os valores observados nos concretos de face das barragens. ABSTRACT The aim of this study is to improve RCC performance through some mix composite research to feasible its use in conditions that require high strength and high Young modulus, and low permeability, and it could be possible its use in some places where only conventional concrete would be foreseen. This study permitted to evaluate the influence of each material in the fresh and hardened properties of RCC and the optimum content for each concrete composite. Some RCC mixes with low cementitious content resulted in concretes with strength and permeability comparable with dam face conventional concretes. 1

1. INTRODUÇÃO Não se pode dosar concretos com base apenas no empirismo, já que o nível de conhecimento existente habilita o tecnologista para estudos mais estruturados, onde se pode inserir desde análises da microestrutura química e física dos materiais à análises das combinações de maior desempenho técnico e econômico, envolvendo questões ambientais e de segurança, já que para construção de barragens deve-se ater a todos esses fatores. Não é novidade para a tecnologia do concreto que a combinação adequada dos materiais da dosagem resulta em um produto de melhor desempenho. Contudo, uma investigação da influência de cada elemento que compõe o concreto é uma tarefa demorada, que requer metodologias adequadas para análise, portanto cabe analisar os ganhos do uso adequado dos recursos disponíveis a curto e longo prazo. Acreditando que um estudo estruturado é mais vantajoso, o presente trabalho mostra resultados de parte de um estudo, desenvolvido em 4 fases, onde em cada uma delas um material da dosagem do CCR foi investigado sob vários aspectos. Inicialmente foram verificados os agregados pulverizados, depois a água da mistura, em seguida as adições minerais e finalmente a quantidade de material cimentício. BATISTA (2004) [1] mostra na sua dissertação os resultados das duas primeiras fases do estudo, onde o CCR inicialmente foi investigado com diferentes teores de agregados pulverizados e depois variando o consumo de água da dosagem. Nos trabalhos de BATISTA et al. (2005) [2] já foram mostrados alguns resultados da terceira fase do estudo, onde foi verificada a influência da escória de alto-forno moída no CCR, em substituição ao cimento. As Figuras 1 a 4 mostram alguns dos resultados obtidos por BATISTA (2004), referentes aos estudos com agregados pulverizados e água de dosagem do CCR. Resistência à Compressão (MPa) 1 8,0 4,0 2,0 0 5 15 20 25 Teor de Agregado Pulverizado (%) Massa Específica após Saturação (kg/m 3 ) 2550 2500 2450 2400 2350 2300 2250 2200 2150 20 0 5 15 20 25 Teor de Agregado Pulverizado (%) FIGURA 1: Resultados 1º Fase Resistência à Compressão do CCR aos 90 Dias para Diferentes Teores de Agregado Pulverizado. BATISTA (2004) [1]. FIGURA 2: Resultados 1º Fase Massa Específica do CCR aos 90 Dias para Diferentes Teores de Agregado Pulverizado. BATISTA (2004) [1]. O resultado importante da primeira fase da pesquisa, obtido a partir da análise do conjunto de resultados de testes mecânicos, elásticos e de durabilidade do CCR, que serviu de base para as dosagens das fases seguintes, foi a definição do teor de 2

agregado pulverizado de cada tipo litológico, % para granito e 20% para calcário e micaxisto. Resistência à compressão 90 dias (MPa) y = -029x 2 + 0,6573x - 28,807 R 2 = 0,8182 1 8,0 4,0 2,0 y = -066x 2 + 1,6746x - 96,423 R 2 = 0,84 90 0 0 120 130 140 150 160 Água Unitária (kg/m³) y = -086x 2 + 2,3348x - 150,35 R 2 = 0,7327 FIGURA 3: Resultados 2º Fase Resistência à Compressão do CCR aos 90 Dias. BATISTA (2004) [1]. Massa específica após saturação (kg/m³) 2500 2450 2400 2350 y = -0,181x 2 + 49,848x - 949,9 R 2 = 0,9159 2300 y = -0,1619x 2 + 44,962x - 654,81 R 2 = 0,9303 2250 90 0 0 120 130 140 150 160 Água Unitária (kg/m³) y = -0,1214x 2 + 32,062x + 303,33 R 2 = 0,7907 FIGURA 4: Resultados 2º Fase Massa Específica do CCR aos 90 Dias. BATISTA (2004) [1]. Com base nos resultados da segunda fase do estudo, inclusive os que estão apresentados nas Figuras 3 e 4, o consumo de água foi estabelecido para as demais fases, tendo sido empregados os consumos de 130 kg/m 3 para dosagens com agregados da rocha granito, 130 kg/m 3 com calcário e 140 kg/m 3 com micaxisto. Observar que estes consumos de água é que resultaram em melhor desempenho do CCR considerando todas as propriedades analisadas e não apenas as duas mostradas acima. Uma conclusão inclusive importante da segunda fase do estudo realizado por Batista (2004) [1] foi a inadequação de CCR dosado com consumos de água inferiores a 120 kg/m³. Finalmente, nesse trabalho, serão mostrados resultados complementares da terceira fase e também resultados parciais da quarta fase do estudo, onde o desempenho do CCR foi avaliado para dois diferentes consumos de materiais cimentícios, 0 e 130 kg/m 3, visto que nas três primeiras fases do estudo o CCR vinha sendo dosado com 90 kg/m 3. Cabe destacar que para cada fase do estudo a dosagem era composta pela melhor combinação de materiais obtida nas fases anteriores, além da adoção de parâmetros de ensaios que mostraram resultados satisfatórios na obra, como foi o caso da consistência. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 MATERIAIS O cimento utilizado em toda pesquisa foi o cimento Portland CP II F-32 (Cimento Portland Composto). A escolha do emprego do cimento CP II F-32 se deu por ser um material isento de adições minerais com características pozolânicas. Os agregados empregados foram provenientes de três litologias diferentes, granito, calcário e micaxisto, nas dimensões máximas de 25 e 50 mm. As rochas foram 3

extraídas do entorno de Goiânia/GO, Sobradinho/DF e das escavações obrigatórias da obra da UHE Lajeado, próximo a Palmas/TO. Em todos os concretos que foram estudados na terceira e quarta fase do estudo, utilizou-se o agregado pulverizado, no teor de % para concretos produzidos com granito e 20% com micaxisto e calcário. Os teores indicados foram obtidos dos experimentos realizados na primeira fase do estudo. 2.2 MÉTODOS A Tabela 1 mostra as métodos de ensaio os quais os concretos foram submetidos nos estados fresco e endurecido. Estado do Concreto Método Norma / Procedimento ACI 2-3 e Concreto Compactado com Rolo (CCR) Procedimento Determinação do Tempo de Vibração Cannon Time e FURNAS Nº. da Massa Específica Fresco 01.006. Procedimento Determinação em Laboratório da Permeabilidade à FURNAS Água do Concreto Fresco Nº. 01.0.02 Resistência à compressão ABNT NBR 5739/94 ABNT NBR 8522/84 Módulo de elasticidade e ASTM C-469/94 ISRM 1978 e Endurecid Procedimento Cisalhamento direto o FURNAS Nº. 04.007.06 Permeabilidade à água ABNT NBR 786/89 Argamassas e concreto endurecido Determinação da absorção de água por imersão Índice de vazios e ABNT NBR 9778/87 massa específica Método de Ensaio TABELA 1: Métodos Utilizados para Avaliar o CCR nas Duas Fases. 3. RESULTADOS 3.1 CCR DOSADO COM CINZA VOLANTE E ESCÓRIA A seguir, nas figuras 5 a 8, serão apresentados os resultados dos concretos dosados com 20, 35 e 50% de cinza volante (CV) e nas figuras 9 a 12 os CCR dosados com 35, 55, 75 e 90 % de escória de alto-forno moída. Os diferentes teores das adições foram ajustados em substituição ao consumo de 90 kg/m 3 de cimento. Os diferentes teores estudados foram definidos com base em pesquisas e no uso em barragens. 4

Resistência à Compressão aos 90 dias (MPa) 9,0 3,0 20 % CV 35 % CV 50 % CV Resistência à Compressão aos 180 dias (MPa) 9,0 3,0 20 % CV 35 % CV 50 % CV FIGURA 5: Resistência à Compressão Simples aos 90 Dias. FIGURA 6: Resistência à Compressão Simples aos 180 Dias Os resultados de resistência à compressão apresentados na Figura 5 mostram que não há uma grande variação da resistência para os diferentes teores de cinza volante na idade de 90 dias. Contudo, na idade de 180 dias as resistências mais elevadas foram obtidas para os concretos com o teor de 35%, o que mostra ser a idade de 180 dias mais adequada para analisar a resistência do CCR quando dosado com cinza volante. A tendência inclusive é a de se adotar esta idade de controle para CCR e concreto massa, como FURNAS já têm feito. Certamente esse comportamento é decorrente do tempo necessário para processar as reações dos componentes da cinza com os hidróxidos de cálcio provenientes da hidratação do cimento. Com relação ao comportamento do CCR com base nas litologias dos agregados, pode-se observar que o micaxisto apresenta um rendimento inferior aos demais tipos de rochas em aproximadamente 50%. Módulo de Elasticidade (GPa) 3 25,0 2 1 5,0 20 % CV 35 % CV 50 % CV Massa Específica Após Saturação e Fervura (kg/dm 3 ) 2,50 2,45 2,40 2,35 2,30 2,25 2,20 20 % CV 35 % CV 50 % CV FIGURA 7: Módulo de Elasticidade aos 90 Dias. FIGURA 8: Massa Específica Após Saturação e Fervura aos 90 Dias. Analisando o módulo de elasticidade apresentado na Figura 7, observa-se que um teor mais elevado de cinza volante não garante um aumento dos valores do módulo na idade de 90 dias, para a mesma litologia do agregado, o que pode ser considerado um bom resultado do ponto de vista térmico. Quanto à massa específica, os resultados apresentados na Figura 8 mostram que as massas específicas não foram alteradas de forma acentuada para os diferentes teores de cinza volante, contudo os concretos compostos de agregados 5

provenientes do calcário apresentam massa específica ligeiramente superior aos concretos com os outros dois tipos de agregados estudados. Tipo Litológic o do Agregad o Cinza Volante Mineral Teor de (%) Coeficiente de Permeabilidade à Água (m/s) C.P. 1 C.P.2 C.P.3 Média 50 1,656E- 1,563E- 8,958E- 4,059E- 35 9,520E- 9,854E- 1,260E- 1,066E- 20 3,808-4,124E- 3,981E- 07 4,124E- 50 1,395E- 9,7E- 9,835E- 1,096E- 35 00E+00 00E+00 1,294E- 4,313E-12 20 3,720E- 1,168E- 2,616E- 2,501E- 50 6,582E- 3,452E- 2,974E- 2,361E- Micaxist 3,981E- 35 3,808E- 4,124E- o 3,971E- 20 7,909E- 1,888E- 1,390E- 1,356E- TABELA 2: Permeabilidade à Água do CCR com Cinza Volante. Os resultados de permeabilidade listados na Tabela 2, mostram que os concretos dosados com os diferentes teores de cinza volante e agregados de granito e micaxisto não tiveram suas permeabilidades reduzidas de forma significativa, como ocorreu com o CCR composto por agregados de calcário com 20% e 35% de cinza volante. Cabe salientar que o resultado obtido com o calcário com 35% de cinza volante deve ser mais investigado, para confirmar a ordem de grandeza do expoente do coeficiente de permeabilidade. Resistência à Compressão aos 90 dias (MPa) 2 18,0 1 14,0 1 8,0 4,0 2,0 35 % Escória 55 % Escória 75 % Escória 90 % Escória Resistência à Compressão aos 180 dias (MPa) 2 18,0 1 14,0 1 8,0 4,0 2,0 35 % Escória 55 % Escória 75 % Escória 90 % Escória FIGURA 9: Resistência à Compressão aos 90 Dias para CCR Dosados com Escória. FIGURA : Resistência à Compressão aos 180 Dias para CCR Dosados com Escória. 6

Nas Figuras 9 e são apresentados gráficos das resistências à compressão de CCR dosados com escória de alto-forno moída. É possível observar que as resistências aos 90 dias, para os diferentes teores, não se elevaram de forma acentuada quando determinadas na idade de 180 dias, exceto para o teor de 90% de adição de escória e para o agregado calcário, que surpreendentemente mostrouse mais elevado que os demais e com maior crescimento entre 90 e 180 dias. Vale lembrar que os concretos dosados com 90% de escória demoraram até 3 dias para desforma dos corpos-de-prova em virtude do retardamento do endurecimento do concreto. Módulo de Elasticidade (GPa) 4 35,0 3 25,0 2 1 5,0 35% Escória 55% Escória 75% Escória 90% Escória Massa Específica Após Saturação e Fervura (kg/dm 3 ) 2,54 2,52 2,50 2,48 2,46 2,44 2,42 2,40 2,38 2,36 2,34 35% Escória 55 % Escória 75% Escória 90% Escória FIGURA : Módulo de Elasticidade do CCR Dosado com Escória aos 90 Dias. FIGURA 12: Massa Específica Após Saturação e Fervura do CCR Dosado com Escória aos 90 Dias. Os resultados de módulo de elasticidade apresentados na Figura mostram que tal propriedade está bastante relacionada com a litologia do agregado, assim como a massa específica, vista nos gráficos da Figura 12. Tipo Litológi co do Agrega do Escória de Alto- Forno Mineral Calcári o Teor de (%) Coeficiente de Permeabilidade à Água (m/s) C.P. 1 C.P.2 C.P.3 Média 90 3,294E-12 6,170E- 75 1,394E- 1,578E- 55 8,524E- 1,204E- 35 5,499E- 3,925E- 90 4,954E-12 1,885E- 75 1,753E- 1,273E- 55 1,825E- 00E+00 35 8,054E-12 4,883E- 7,615E- 5,814E- 9,069E- 39E- 3,033E- 8,094E- 1,806E- 7,684E- 12 4,705E- 1,184E- 9,878E- 5,154E- 1,804E- 7,526E- 1,2E- 2,152E- 7

90 9,063E- 1,064E- 1,993E- 1,321E- 1,262E- 75 6,161E- 5,029E- Micaxis 7,937E- to 1,287E- 55 6,878E-12 6,878E-12 8,875E-12 35 1,235E- 1,235E- 1,235E- 1,235E- TABELA 3: Permeabilidade à Água do CCR Dosado com Diferentes Teores de Escória. Tendo como base a Tabela 3, pode-se verificar que o CCR dosado com escória tem sua permeabilidade mais reduzida que os concretos produzidos com cinza volante; a redução leva o expoente do coeficiente, da maioria dos concretos, para -. Cabe aqui também uma ressalva semelhante à que foi descrita para a permeabilidade do CCR produzido com 35% de escória e agregado calcário, agora para o concreto produzido com 55% de escória e o agregado micaxisto. 3.2 CCR DOSADO COM 0 E 130 KG/M 3 DE MATERIAL CIMENTÍCIO Os resultados que serão mostrados a seguir apresentam a fase do estudo que investigou o comportamento do CCR dosado com 90, 0 e 130 kg/m 3 de material cimentício. Os teores das adições indicados correspondem ao valor que o cimento foi substituído na dosagem. Resistência à Compressão Simples (MPa) 25,0 2 1 5,0 28 90 180 Idade (dia) - 35% CV - 90-35% CV - 0-35% CV - 130 kg/m3 Mast. cim. - 35% CV - 90-35% CV - 0-35% CV - 130 Módulo de Elasticidade aos 90 Dias (GPa) 35,0 3 25,0 2 1 5,0-35% CV - 90-35% CV - 0-35% CV - 130 kg/m3 Mat. cim - 35% CV - 90 kg/m3 Mat. cim - 35% CV - 0 kg/m3 Mat. Cim. - 35% CV - 130 kg/m3 Mat. Cim. FIGURA 13: Resistências nas Idades de 28, 90 e 180 Dias para os Diferentes Consumos de Cimento, Substituídos por 35% de Cinza Volante. FIGURA 14: Módulo de Elasticidade aos 90 Dias para Concretos Produzidos com 35 % de Cinza Volante. Como pode ser evidenciado na Figura 13, o teor de 35% de cinza volante, substituído no consumo de 130 kg/m 3 de cimento, proporcionou um ganho de resistência significativo, alcançando um valor de 20 MPa. Provavelmente o ganho de resistência da idade de 90 para 180 dias foi conseguido devido a maior quantidade de cimento existente na mistura, consequentemente pela maior presença de hidróxidos de cálcio para reagir e formar os silicatos de cálcio hidratados, diferentemente dos concretos produzidos com 90 kg/m 3 de material cimentício. 8

Quanto aos módulos apresentados na Figura 14, não foram verificadas diferenças elevadas para algumas misturas, exceto entre os módulos dos concretos com granito e 90 kg/m 3 de material cimentício e os concretos com calcário e 130 kg/m 3. Resistência à Compressão Simples (MPa) 24,0 21,0 18,0 9,0 3,0 28 90 180 Idade (dia) - 75% Escória - 130-90% Escória - 130-90% Escória - 0-75% Escória 90 Resistência à Compressão Simples (MPa) 1 14,0 1 8,0 4,0 2,0 28 90 180 Idade (dia) - 55% Escória - 0 Cimento - 55% Escória - 130 Cimento - 55% Escória 90 " FIGURA 15: Resistências dos Concretos Dosados com Escória e Agregado de. FIGURA 16: Resistências dos Concretos Dosados com Escória e Agregado de. Os gráficos da Figura 15 mostram que a dosagem com o calcário e o teor de 75% de escória empregado em substituição ao consumo de 130 kg/m 3 de cimentícios, permite obter resistências da ordem de 22 MPa, valor bastante elevado para CCR. Por outro lado, a litologia do agregado pode comprometer fortemente a resistência do concreto, como pode ser observado na Figura 16, que mesmo com consumo de material cimentício de 130 kg/m 3, as resistências aos 180 dias não foram superiores a 15 MPa. Litologia do Agregado Mineral Cinza Volante Cinza Volante Escória de Alto- Forno Moída Teor (%) Material Cimentício (kg/m 3 ) Coeficiente de Permeabilidade à Água (m/s) Corpo-deprovprovprova Corpo-de- Corpo-de- Média 1 2 3 1,066E- 4,414E- 1,183E- 4,313E- 12 2,067E- 2,6E- 1,804E- 7,526E- 1,346E- 6,246E- 12 35 90 9,520E- 9,854E- 1,260E- 35 0 3,744E- 2,431E- 7,067E- 35 130 1,992E- 1,042E- 5,137E-12 35 90 00E+00 00E+00 1,294E- 35 0 2,548E- 1,830E- 1,824E- 35 130 3,958E- 9,770E-12 1,412E- 90 90 4,954E-12 1,885E- 3,033E- 75 90 1,753E- 1,273E- 8,094E- 90 130 1,029E- 2,512E-12 2,759E- 75 130 8,7E-12 4,878E-12 5,754E-12 9

Litologia do Agregado Mineral Escória de Alto- Forno Moída Teor (%) Material Cimentício (kg/m 3 ) Coeficiente de Permeabilidade à Água (m/s) Corpo-deprovprovprova Corpo-de- Corpo-de- Média 1 2 3 1,073E- 8,875E- 12 1,140E- 90 0 1,362E- 1,133E- 7,241E-12 55 90 6,878E-12 6,878E-12 1,287E- 55 0 1,362E- 1,333E- 7,241E-12 55 130 7,323E-12 9,670E-12 4,630E-12 TABELA 4: Comparativo Entre os Coeficientes de Permeabilidade de Diferentes Dosagens de CCR. 7,208E- 12 Os dados da Tabela 4 mostram os resultados de permeabilidade à água, onde o melhor desempenho é visto com os agregados calcário com 75% de escória e 130 kg/m 3 de material cimentício; da mesma forma, os concretos com agregado de micaxisto também proporcionaram redução da permeabilidade até valores da ordem de -12 m/s, grandeza que representa uma permeabilidade semelhante às registradas para concretos convencionais das barragens. 4. CONCLUSÕES Nas investigações realizadas, os concretos dosados com cinza volante requerem maior tempo para promover os ganhos de resistência que os concretos dosados com escória de alto-forno. O grande ganho das adições minerais, cinza volante e escória de alto-forno, foi obtido na redução da permeabilidade. Quando observados os resultados da primeira e segunda fase de BATISTA (2004) [1] observa-se que o desempenho do CCR com 90 kg/m 3 de cimento (CP II F-32) é bastante próximo daquele apresentado na terceira fase do estudo, cujo consumo foi de 90 kg/m 3 de material cimentício, exceto para os resultados de permeabilidade, onde os coeficientes de permeabilidade foram reduzidos de - 09 m/s para - m/s com cinza volante e - m/s com escória. A rocha calcário propiciou dosar CCR com desempenho superior ao granito e micaxisto, atendendo a requisitos de concreto para barragens, mesmo com baixo consumo de material cimentício. Por outro lado, quando o material cimentício é acrescido para um consumo de 130 kg/m 3, o CCR passa a apresentar parâmetros satisfatórios até mesmo para concretos convencionais de face de barragens, onde o consumo é normalmente da ordem dos 180 kg/m 3. Os concretos produzidos com agregados da rocha micaxisto apresentaram desempenho inferior em relação às demais litologias, em praticamente todas as propriedades estudadas. Contudo, os resultados de permeabilidade dos concretos com micaxisto apresentam resultados que merecem melhor análise, haja visto que houve uma redução considerável dos coeficientes de permeabilidade para os concretos pesquisados, principalmente os apresentados na Tabela 4.

5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem aos colaboradores do Departamento de Apoio e Controle Técnico de FURNAS que participaram de alguma forma no desenvolvimento dos experimentos laboratoriais, cujos resultados são apresentados neste trabalho. 6. PALAVRAS-CHAVE Concreto Compactado com Rolo, CCR, Cinza Volante, Escória de Alto-Fono, Barragem. 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] BATISTA, E. L. (2004) - Estudo da Influência do Tipo e Teor de Agregado Pulverizado e do Consumo de Água nas Propriedades do Concreto Compactado com Rolo para Barragens. Goiânia, 2004. 194p. Dissertação Escola de Engenharia Civil - Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 2004. [2] BATISTA, E. L.; GRAÇA, N. G.; CARASEK, H; CASCUDO, O. (2005) Estudo dos teores de finos e da água ideais para dosagem de concreto compactado com rolo para barragens In. Seminário Nacional de Grandes Barragens. 26, 2005, Anais... Goiânia, 2005.