UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL POTENCIAL DE UTILIZAÇÃO DE AGREGADOS LEVES NA PRODUÇÃO DE CONCRETOS ESTRUTURAIS Murilo Giatti Furquim Pereira Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de São Carlos como parte dos requisitos para a conclusão da graduação em Engenharia Civil Orientador: Prof. Dr. Almir Sales São Carlos 2012

DEDICATÓRIA Aos meus pais, José e Magali, pelo amor, carinho e apoio incondicionais ao longo de todos esses anos.

AGRADECIMENTOS A toda minha família pelo suporte e atenção dados ao longo de todo o período de graduação. Ao Professor Doutor Almir Sales pela orientação, incentivo e confiança para a realização deste, e de outros trabalhos acadêmicos. Expresso meus profundos agradecimentos a todos os integrantes do Laboratório de Materiais e Componentes (LMC) da UFSCar pelo empenho, colaboração e disponibilidade dados ao desenvolvimento desse trabalho. Ao Laboratório de Sistemas Estruturais (LSE) da UFSCar pela imensa contribuição e disponibilização dos equipamentos necessários ao sucesso dos ensaios realizados. Ao Ricardo Luiz Canato, técnico do LSE, pelo auxílio no capeamento dos corpos de prova de concreto. Aos meus amigos.

RESUMO O contínuo avanço e aprimoramento das técnicas de construção utilizadas na engenharia civil têm proporcionado um acréscimo na gama de materiais e componentes empregados com sucesso nas diversas tipologias construtivas. Nesse contexto, a utilização de concretos que levam em sua composição agregados leves tem se mostrado uma alternativa eficiente e versátil na construção moderna. Esse trabalho apresenta as principais características e propriedades dos agregados leves bem como dos concretos produzidos a partir desses materiais. A pesquisa ainda inclui um estudo das formas de processamento das matérias primas utilizadas no fabrico dos agregados leves e uma sistematização da forma de obtenção e produção da argila expandida nacional. Uma amostra de argila expandida adquirida na cidade de São Carlos passou por caracterização granulométrica e ensaio de massa unitária, os quais demostraram uma dimensão máxima característica de 19 mm e massa unitária de 481 kg/m³ e permitiram classificá-la como sendo do tipo 2215. Amostras de areia natural e de brita basáltica também foram caracterizadas granulometricamente, e os resultados obtidos foram compatíveis com os exigíveis na normalização brasileira. Após a caracterização dos materiais foram moldados corpos-de-prova de concreto com cimento CP II E 32 utilizando dois tipos de traço, um contendo agregados tradicionais e outro utilizando argila expandida como agregado graúdo, ambos com o mesmo teor de argamassa. Tais amostras foram submetidas a ensaios de resistência à compressão axial e tração por compressão diametral aos 28 dias de idade além de ensaios de massa específica. Foram verificadas resistências à compressão de 34,2 MPa para o concreto usual e de 17,8 MPa para o concreto leve (redução de 48%). No ensaio de massa específica foram obtidos valores de 2235 kg/m³ e 1642 kg/m³ para o concreto tradicional e para o concreto leve, respectivamente, o que demostra a eficiência da utilização de agregados leves na redução do peso das matrizes de concreto. Os valores experimentais da correlação entre a massa específica e o consumo de cimento do concreto leve associados à sua resistência à compressão foram rigorosamente compatíveis com os valores disponíveis na literatura e permitiram a classificação do concreto leve moldado como sendo do tipo estrutural, embora a resistência alcançada pelas amostras tenham apenas atingido o valor mínimo exigido pelo ACI213R-87 (1999) para que o concreto fosse classificado como estrutural. Quanto aos processos de fabricação dos agregados leves, verificou-se que os tipos mais utilizados são a sinterização e o forno rotativo, porém, apenas o segundo é capaz de prover as características físicas essenciais ao controle e aplicação eficientes dos concretos que os utilizam. Palavras-chave: agregados leves, concretos estruturais, argila expandida.

ABSTRACT ABSTRACT The continued advancement and improvement of the construction techniques used in civil engineering have provided an increase in the range of materials and components used successfully in various building typologies. In this context, the use of concretes with lightweight aggregate in its composition has provided an effective and versatile alternative in modern construction. This paper presents the main features and properties of lightweight aggregates and concretes produced from these materials. The research also includes a study of the ways of processing the raw materials used in the manufacture of lightweight aggregates and a systematic way of obtainment and production of national expanded clay. A sample of expanded clay acquired in São Carlos went through granulometric characterization and testing of unit mass, which demonstrated a maximum size of 19 mm and characteristic bulk density of 481 kg/m³ and allowed to classify it as type 2215. Samples of natural sand and gravel were also characterized granulometrically, and the results obtained were compatible with the required Brazilian normalization. After the material characterization were molded concretes with Portland cement CP II E 32 from two types of stroke, containing traditional aggregates and other using expanded clay as coarse aggregate, both with the same amount of mortar. These samples were subjected to testing of compressive strength and diametric tensile compression at 28 days of age beyond assays density. Were observed compressive strengths of 34.2 MPa for usual concrete and 17.8 MPa for lightweight concrete (reduced 48%). In the assay of specific gravity were obtained values of 2235 kg/m³ and 1642 kg/m³ for traditional concrete and lightweight concrete, respectively, which demonstrates the efficiency of the use of lightweight aggregates in weight reduction of concretes. The experimental values of correlation between specific gravity and the consumption of cement in the lightweight concrete associated with their compression strength were rigorously compatible with the values available in the literature and allowed the classification of lightweight concrete being cast as the structural type, although the resistance achieved by sample has not exceeded the minimum value required by ACI213R-87 (1999) for it to be classified as a structural concrete. Regarding the manufacturing processes of lightweight aggregates, it was found that the most used types are the rotary kiln and the sintering, but only the rotary kiln is able to provide the essential physical characteristics for the efficient control and application of the concretes that use them. Key-words: lightweight aggregates, structural concrete, expanded clay.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 2.1 Panteão de Roma... 12 Figura 2.2 Edifícios de múltiplos pavimentos construídos com concreto leve... 13 Figura 2.3 - Espectro dos agregados leves e dos respectivos concretos... 16 Figura 2.4 Os três tipos básicos de concreto leve... 18 Figura 2.5 Intervalo de massas específicas secas de diversos concretos leves estruturais... 19 Figura 2.6 Utilização de concreto leve em pré-fabricados... 23 Figura 2.7 Plataforma Troll... 24 Figura 2.8 Forno rotativo para a produção de argila expandida... 30 Figura 2.9 Micrografia dos agregados produzidos pelo processos de (a) sinterização e (b) forno rotativo... 31 Figura 2.10 - Zonas em que se encontram as composições químicas das argilas com característica expansiva... 32 Figura 2.11 Fluxograma de fabricação de agregado de argila piroexpandida... 34 Figura 2.12 Argilas expandidas comerciais... 34 Figura 3.1 Amostra de argila expandida.... 37 Figura 4.1 Evolução média de resistência à compressão dos distintos tipos de cimento Portland... 40 Figura 4.2 Mistura dos materiais na betoneira... 41 Figura 4.3 Argila expandida submersa... 42 Figura 4.4 Verificação do abatimento de tronco de cone (slump test)... 42 Figura 4.5 Adensamento dos corpos de prova... 43 Figura 4.6 Cura úmida dos corpos de prova... 44 Figura 4.7 Determinação da massa hidrostática dos corpos de provas... 44 Figura 5.1 Flutuação do agregado de argila expandida... 46 Figura 5.2 Retificação dos corpos de prova... 47 Figura 5.3 Ensaio de resistência à compressão simples... 47 Figura 5.4 Ensaio de tração por compressão diametral... 48 Figura 6.1 - Curva granulométrica da argila expandida... 50 Figura 6.2 - Ensaio de massa unitária no estado compactado... 51 Figura 6.3 Curva granulométrica da areia natural... 53 Figura 6.4 Curva granulométrica da brita basáltica... 54 Figura 6.5 Valores de resistência à compressão... 55

Figura 6.6 Detalhe de ruptura tipo cônica... 56 Figura 6.7 Valores de resistência à tração... 57

LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 - Classificação dos agregados quanto à sua massa unitária... 15 Tabela 2.2 Dados de referência da massa específica dos concretos leves... 19 Tabela 2.3 Relação aproximada entre a resistência à compressão e o teor de cimento... 20 Tabela 2.4 Características de alguns agregados leves comerciais... 35 Tabela 3.1 Valores de massa do recipiente e da água.... 38 Tabela 3.2 Relação temperatura/densidade da água... 38 Tabela 4.1 - Dosagens finais dos concretos... 41 Tabela 5.1 Valores de abatimento e teor de argamassa das amostras... 46 Tabela 6.1 - Análise granulométrica da argila expandida... 49 Tabela 6.2 Limites granulométricos... 50 Tabela 6.3 - Massa unitária no estado solto em compactado... 51 Tabela 6.4 Análise granulométrica da areia natural (NM 248)... 52 Tabela 6.5 Análise granulométrica do agregado graúdo... 54 Tabela 6.6 Resistência à compressão dos concretos... 55 Tabela 6.7 Resistência à tração dos concretos... 56 Tabela 6.8 Resultados de porosidade e massa específica dos concretos... 57 Tabela 6.9 Exigências para concreto estrutural leve... 58 Tabela 6.10 - Correlação massa específica / resistência dos concretos leves... 59 Tabela 6.11 Correlação consumo de cimento / resistência dos concretos leves... 59 Tabela 6.12 Custo total por m³ do concreto tradicional virado em obra... 60 Tabela 6.13 Custo total por m³ do concreto leve... 61 Tabela 6.14 Comparativo de custo/mpa dos concretos analisados... 61.

SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO... 8 1.1 Justificativa... 9 1.2 Objetivos... 9 1.3 Metodologia... 9 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 12 2.1 Agregados Leves... 12 2.2 Concretos Leves Estruturais... 17 2.3 Principais Agregados Utilizados na Produção de Concretos Leves... 24 2.3.1 Pedra pomes... 25 2.3.2 Perlita expandida... 25 2.3.3 Argila, xisto e ardósia expandidos... 26 2.3.4 Cinzas volantes... 27 2.3.5 Vermiculita... 27 2.3.6 Escória de alto-forno expandida... 28 2.4 Os processos de produção... 28 2.4.1 Sinterização... 29 2.4.2 Forno rotativo... 30 2.5 A argila expandida nacional e a usina da Cinasita... 33 3. CARACTERIZAÇÃO DOS AGREGADOS... 37 3.1 Amostra de Argila Expandida... 37 3.1.1 Granulometria... 37 3.1.2 Massa Unitária... 38 3.2 Agregados Tradicionais... 39 3.2.1 Areia Natural... 39 3.2.2 Brita Basáltica... 39 4. MOLDAGEM E ANÁLISE DOS CORPOS DE PROVA... 40 4.1 Procedimentos e etapas para a moldagem... 40 4.2 Determinação da porosidade e massa específica... 44 5. ENSAIOS MECÂNICOS... 46

6. RESULTADOS E DISCUSSÕES... 49 6.1 Análise dos agregados... 49 6.1.1 Argila expandida... 49 6.1.2 Areia natural... 52 6.1.3 Brita basáltica... 53 6.2 Análise dos ensaios mecânicos... 55 6.3 Massa específica dos concretos... 57 6.4 Custo comparativo entre o concreto tradicional e o concreto leve... 60 7. CONCLUSÕES... 63 REFERÊNCIAS... 65

8 1. INTRODUÇÃO O concreto usual produzido com cimento Portland e agregados convencionais, apesar de ser um material amplamente empregado na indústria da construção civil, possui uma série de deficiências. Quando comparado ao aço, a baixa relação resistência/peso do concreto pode constituir um problema econômico na construção de edifícios de múltiplos pavimentos, pontes com grandes vãos e estruturas flutuantes (MEHTA & MONTEIRO, 1994). Visando melhorar essa relação, surgiram, naturalmente, duas alternativas: diminuir a massa específica do material ou aumentar sua resistência. A primeira das alternativas tem sido aplicada com sucesso nos últimos anos através da introdução de agregados leves às matrizes cimentícias, pois possibilitam a obtenção de concretos leves com peso específico de cerca de 1600 kg/m³ e resistência à compressão entre 25 e 40 MPa (MEHTA & MONTEIRO, 1994). Os agregados leves são caracterizados principalmente por possuírem baixa massa específica em comparação aos agregados tradicionais, variando, entre 80 e 900 kg/m³, conforme o processo de fabricação. Entre os principais agregados destinados à obtenção de concretos leves estruturais (CLE) é possível destacar o uso da argila expandida, a qual apresenta massa específica variável entre 300 e 900 kg/m³, além de resistência ao fogo e a ambientes agressivos. Por esse motivo, já foi objeto de vários estudos e pesquisas nacionais e internacionais como alternativa de substituição dos agregados convencionais sem o comprometimento da resistência mecânica. Segundo o ACI213R-87 (1999), a utilização do CLE implica em um custo total mais baixo da estrutura. De fato, embora o metro cúbico concreto leve custe mais do que o convencional, é possível que haja uma redução do custo total da estrutura como resultado da redução do peso próprio e do menor custo das fundações. Nos últimos anos, o desenvolvimento de novas pesquisas destinadas à criação de materiais e técnicas inovadoras para a indústria da construção civil resultou em um incremento da utilização de concretos especiais, como é o caso do concreto leve de alto desempenho (CLAD), passando a ser mais uma alternativa para uma indústria que necessita de soluções diversificadas e eficientes.

9 1.1 Justificativa O setor da construção civil possui grande potencial em oferecer soluções tecnológicas no que diz respeito à incorporação de novos materiais em suas matrizes cimentícias. Nesse contexto, a utilização de agregados leves para a confecção de concretos estruturais (CLE) têm permitido ganhos na redução do peso e manutenção da capacidade portante das estruturas. Sua aplicação na construção e recuperação de pontes pode possibilitar a redução das dimensões dos elementos estruturais e viabilizar o aumento dos vãos entre os pilares. Finalmente, o tema irá abranger alguns dos conceitos importantes abordados no decorrer do curso, além de aprofundar os conhecimentos a respeito da tecnologia em agregados leves e concretos estruturais, pouco tratadas na graduação em engenharia civil. 1.2 Objetivos Este trabalho apresenta como objetivo geral estudar as principais características e propriedades dos principais agregados utilizados em concretos leves estruturais. O trabalho possui como objetivos específicos: 1. Estudar a produção de agregados leves. 2. Verificar as principais aplicações e tipologias construtivas que utilizam agregados leves em estruturas. 3. Verificar experimentalmente a resistência de concretos com argila expandida. 1.3 Metodologia Com a finalidade de atingir os objetivos propostos, a pesquisa foi desenvolvida inicialmente por meio de uma busca na literatura nacional e internacional das principais características e propriedades dos agregados mais utilizados na produção de concretos leves. Em seguida foi realizada uma comparação das formas de processamento das matérias primas para produção de agregados leves, com posterior sistematização da forma de obtenção e produção da argila expandida no Brasil. O trabalho também é composto por verificações experimentais desenvolvidas no Laboratório de Materiais e Componentes (LMC) da UFSCar. Os ensaios foram iniciados com

10 a caracterização de uma amostra de argila expandida por meio de classificação granulométrica, seguindo o especificado na NBR 7211 (2009), e massa unitária, de acordo com a NM 45 (2006). Em seguida foi realizada a dosagem de um concreto leve contendo argila expandida e a moldagem de corpos de prova cilíndricos de 10 cm de diâmetro e 20 cm de altura. Concluída essa etapa, foi realizada a caracterização de agregados naturais para a produção de amostras brancas (referência) de concreto convencional com dosagem similar à do concreto com argila expandida. As amostras de concreto contendo argila expandida e as de concreto convencional foram avaliadas e comparadas através da verificação da massa específica e da realização de ensaios de compressão axial e tração por compressão diametral. Os valores obtidos experimentalmente foram, posteriormente, comparados com os valores disponíveis na literatura e na normalização brasileira para averiguar a compatibilidade com as aplicações sugeridas. As atividades desenvolvidas nesse trabalho estão relacionadas abaixo juntamente com o cronograma previsto: A. Revisão bibliográfica; B. Comparação das formas de processamento das matérias primas para produção de agregados leves; C. Sistematização da forma de obtenção e produção da argila expandida no Brasil; D. Caracterização de uma amostra de argila expandida, dosagem de um concreto leve e moldagem de corpos de prova; E. Caracterização de agregados naturais e moldagem de amostras referência; F. Ensaios de resistência à compressão axial, tração por compressão diametral e verificação do peso específico; G. Comparação dos valores obtidos experimentalmente com os disponíveis na literatura; H. Conclusões e elaboração do trabalho final.

11 2012 Mar. Abr. Mai. Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez. A B C D E F G H As atividades ainda seguiram o seguinte cronograma com as datas pré-definidas: 1. Reenvio do PTCC (24/09/2012); 2. Relatório de progresso 1 (24/09/2012); 3. Relatório de progresso 2 (26/10/2012); 4. Marcação da defesa (até 19/11/2012); 5. TCC finalizado (28/11/2012); 6. Defesa do TCC (03/12/2012 a 20/12/2012); 7. TCC corrigido (14/01/2013 a 18/01/2013).

12 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Agregados Leves Os agregados leves destinados à obtenção de concretos estruturais possuem um vasto histórico de utilização na indústria da construção civil. Segundo Vieira (2000) existem indícios de que o emprego de tais materiais teve início há cerca de 3000 anos (1100 a.c.), quando os povos pré-colombianos que habitavam a cidade mexicana de El Tajin, utilizaram uma mistura contendo pedra pomes e um ligante à base de cal e cinzas vulcânicas para a construção de elementos com função estrutural. A mesma tecnologia foi também empregada pelos romanos com o intuito de reduzir as cargas nas estruturas através da combinação de um ligante à base de cal e rochas vulcânicas. Tanto a construção parcial do Coliseu como a reconstituição do Panteão de Roma (Figura 2.1), foi realizada com a utilização de concretos estruturais constituídos de agregados leves provindos de lava vulcânica, fragmentos de tijolos e pedra pomes (MITIDIERI, 1976). Figura 2.1 Panteão de Roma Fonte: Rossignolo, (2003)

13 Durante a primeira metade do século XX, em meio a Primeira Guerra Mundial, a utilização de concretos estruturais contendo agregados leves caracterizou-se, pela primeira vez, pela introdução do cimento Portland em sua composição. Nessa época foram construídas pela American Emergency Fleet Building Corporation embarcações de concreto leve utilizando xisto expandido, com resistência à compressão de 35 MPa (HOLM & BREMNER, 1994). Um exemplo dessas embarcações é o navio norte-americano USS Selma construído utilizando-se concreto leve com resistência à compressão de 35 MPa e massa específica de aproximadamente 1600 kg/m³ no ano de 1919. Dessa forma, o fator de eficiência atingido foi de 22 MPa.dm³/kg, considerado extraordinário para os materiais e tecnologia disponíveis na época. Algumas análises realizadas nessa embarcação na década de 80 mostraram que o concreto leve utilizado apresentou desempenho satisfatório de durabilidade e manutenção da resistência mecânica (HOLM & BREMNER, 1994). Somente a partir dos anos 50 a utilização de concretos leves estruturais foi direcionada à construção de edifícios de múltiplos pavimentos, tais como o Austrália Square Tower e o Park Regis, na Austrália, o Standart Bank, na África do Sul e o BMW Building, na Alemanha (Figura 2.2). Foi também, a partir dessa década, que teve início a aplicação de concretos leves em elementos pré-fabricados (ROSSIGNOLO, 2003). Figura 2.2 Edifícios de múltiplos pavimentos construídos com concreto leve Fonte: Rossignolo, (2003) Após anos de evolução tecnológica no ramo da construção civil, o concreto estrutural desenvolvido a partir de agregados leves tornou-se um material de construção firmemente consolidado em todo o mundo, com emprego no reforço e construção de estruturas de

14 pontes, plataformas de petróleo, elementos pré-moldados, edifícios de múltiplos pavimentos, entre outros. Segundo Moravia (2007), agregados são materiais granulares, geralmente inertes (por não reagirem quimicamente com a água), de dimensões e propriedades adequadas para o uso em concretos e argamassas. Contudo, o termo inerte, não representa uma forma correta de se referenciar o agregado, pelo fato, de em alguns casos, ocorrerem reações químicas na zona de transição entre o agregado e a argamassa de cimento, areia e água. Existe uma terminologia que classifica o agregado em miúdo e graúdo de acordo com a dimensão das partículas. A NBR 7211 (2009) Agregados para concreto define o agregado miúdo como sendo o agregado, ressalvados alguns limites, cujos grãos passam pela peneira com abertura de malha de 4,75 mm. Já o agregado graúdo é definido como o agregado cujos grãos passam pela peneira com abertura de malha de 75 mm e ficam retidos na peneira com abertura de malha de 4,75 mm. Segundo Popovics (1992), o termo agregado leve serve para designar um agregado de massa específica baixa. Para concretos leves estruturais essa massa é limitada a cerca de um a dois terços da massa específica dos agregados normais, embora essa característica seja diretamente influenciada pela classificação e forma das partículas. Ainda de acordo com o autor, as características de peso e resistência das partículas são as duas propriedades técnicas mais importantes de um agregado leve. Por possuírem valores comerciais inferiores aos do cimento, os agregados, influenciam diretamente no custo final do concerto. Além disso, proporcionam uma menor retração das pastas formadas por cimento e água e aumentam a resistência ao desgaste superficial dos concretos (MORAVIA, 2007). A classificação dos agregados quanto à sua massa unitária pode ser vista na Tabela 2.1.

15 Tabela 2.1 - Classificação dos agregados quanto à sua massa unitária Classificação Massa unitária g (kg/ dm³) Exemplos Principais aplicações Leves g < 1 Normais 1 g 2 Pesados g > 2 Fonte: Metha & Monteiro, (1994) escória de alto forno, argila expandida, vermiculita areia, brita e pedregulho barita, linolita, magnesita lajes de pontes, peças pré-moldadas, concretos para isolamento térmico e acústico obras em geral concretos estruturais para blindagem contra radiações De acordo com Coutinho (1988), e em concordância com a Tabela 2.1, a massa unitária dos agregados comuns mais utilizados em concretos tradicionais ocupa valores intermediários a 1400 kg/m³ e 1700 kg/m³. Já os agregados com valores de massa unitária inferior a 1120 kg/m³ são geralmente classificados como leves, e têm aplicação na produção de uma gama variada de concretos de mesma designação, sendo que sua menor massa é devida à microestrutura celular ou altamente porosa dos agregados (MEHTA & MONTEIRO, 1994). Os autores ainda ressaltam que materiais orgânicos de estrutura celular não devem ser usados como agregados devido a sua falta de durabilidade no meio alcalino e úmido do concreto de cimento Portland. Em seus estudos, Rossignolo (2003) classifica os agregados leves em dois grupos: a) Naturais: são extraídos diretamente das jazidas, geralmente de origem vulcânica, e passam por um posterior processo de classificação granulométrica. Em decorrência da grande variabilidade de suas propriedades e do difícil acesso às jazidas têm aplicação reduzida em concretos estruturais. Como exemplo, têm-se a pedra pomes, a cortiça e as escórias vulcânicas. b) Artificiais: são obtidos a partir de processos industriais e classificados com base no processo de fabricação e na matéria prima utilizada. Como exemplo, têm-se argilas, folhetos e escórias expandidas. Entre os agregados artificiais, temos os resultantes de um processo industrial de resfriamento, pelo qual se obtém uma expansão, como a escória de alto forno (subproduto

16 do ferro gusa) e os provenientes da aplicação de calor para a expansão, tais como argila, poliestireno, folhetos, perlitas e vermiculitas (MORAVIA, 2007). A Figura 2.3 mostra um espectro dos agregados leves e dos correspondentes concretos. Figura 2.3 - Espectro dos agregados leves e dos respectivos concretos Fonte: Metha & Monteiro, (1994) Segundo Souza Santos (1992), a ASTM (1964) ainda classifica os agregados leves, de acordo com o tipo de concreto em que são utilizados, em três grupos: a) Agregados leves para concreto estrutural (C 330-64 T) obtidos principalmente por processos industriais de expansão, calcinação ou sinterização de materiais como as argilas, a escória de alto-forno, diatomitos, folhetos argilosos e de ardósia. b) Agregados leves para fabricação de peças de alvenaria de concreto (C 331-64 T) da mesma forma que os agregados leves para concreto estrutural, são obtidos através da expansão, calcinação ou sinterização dos mesmos materiais. c) Agregados leves para fabricação de concreto isolante (C 332-61) podem ser preparados pela expansão de materiais, como perlita e vermiculita, para produção de concreto leve de massa específica aparente entre 230 kg/m³ e 800 kg/m³, ou pela expansão, calcinação ou sinterização de escória de alto-forno, argilas, diatomitos, folhetos argilosos e de ardósia para a obtenção de concreto leve de massa específica aparente entre 720 kg/m³ a 1440 kg/m³. Dessa forma, a escolha correta do agregado leve é fundamental para que o concreto moldado a partir desses materiais atenda às exigências para as quais foi designado. Segundo Popovics (1992), a porosidade interna também é um fator preponderante nessa

17 escolha. De acordo com o autor, quanto maior é esse valor, mais leve é o agregado e menor é sua condutividade térmica, todavia, menor é sua resistência. Popovics (1992) ainda relata algumas possíveis disfunções relacionadas ao emprego de agregados leves em matrizes cimentícias, como problemas de trabalhabilidade causados principalmente pela dimensão angular das partículas finas dos agregados leves britados, segregação dos agregados graúdos durante a mistura, lançamento e vibração do concreto, alto valor de absorção da maioria dos agregados. Esses problemas, contudo, podem ser evitados adotando-se algumas medidas preventivas como, por exemplo, a substituição de parte dos agregados leves por agregados tradicionais e a checagem frequente e contrabalanceada proporção de água. 2.2 Concretos Leves Estruturais Os concretos (em geral) são materiais heterogêneos, e suas propriedades são influenciadas pelas propriedades individuais de cada componente que os constitui. Desta forma, a substituição dos agregados tradicionais pelos agregados leves influencia principalmente em propriedades como a massa específica, a trabalhabilidade, a resistência mecânica, o módulo de elasticidade, as propriedades térmicas, a retração, a fluência e a espessura da zona de transição entre o agregado e a matriz do cimento (ROSSIGNOLO, 2003). O concreto leve estrutural é, em todos os sentidos, semelhante a um concreto estrutural, exceto, por razões de economia do custo total, uma vez que ele é feito com agregados leves celulares, e por isso, seu peso específico é cerca de dois terços do peso específico do concreto moldado com os agregados convencionais. O termo concreto leve é empregado para concretos cuja massa específica não ultrapassa os 1800 kg/m³ (MEHTA & MONTEIRO, 1994). Porém, o método do volume absoluto baseado no ACI, utilizado na dosagem de concretos convencionais não é indicado para a dosagem do concreto leve. Primeiramente a relação entre a resistência e o fator água/cimento não pode ser efetivamente usada devido à dificuldade em se quantificar a absorção de água de amassamento pelo agregado leve. Além do mais, a absorção de água pelo agregado poroso (10% a 20%) pode ser prolongada por semanas. Ainda, ao contrário dos agregados tradicionais, a massa específica dos agregados leves pode variar amplamente com a granulometria (MEHTA & MONTEIRO, 1994).

18 Segundo Short (1962), basicamente, o único meio de obtenção de concretos leves é através da inserção de ar em sua composição. Contudo, isso pode ser feito de três formas distintas: a) criando bolhas de ar na própria matriz cimentícia, constituindo o chamado concreto celular ou aerado; b) eliminando as partículas finas da composição granulométrica do agregado, criando assim o chamado concreto com ausência de finos; c) substituindo a pedra britada por agregados porosos, o que inclui ar à mistura. (Figura 2.4). Figura 2.4 Os três tipos básicos de concreto leve a) Concreto aerado Fonte: Short, (1962) b) Concreto sem finos c) Concreto com agregado leve Embora existam três formas distintas de produção, os concretos leves são produzidos através de referidas combinações. Por exemplo, concretos com ausência de finos empregam agregados leves, assim como concretos aerados utilizam agregados celulares em sua composição (SHORT, 1962). Como complemento a essa classificação, Maycá et. al (2008), sugere o acréscimo de um quarto tipo de concreto leve, denominado concreto misto, o qual seria o resultado de uma combinação de agregados leves, aditivos incorporadores de ar e da redução dos finos no traço. De acordo com Rossignolo (2003), os concretos leves estruturais são obtidos através da substituição total ou parcial dos agregados tradicionais por agregados leves e, normalmente, apresentam valores de massa específica seca abaixo de 2000 kg/m³. A massa específica também é utilizada pelo ACI213R-87 para classificar o concreto leve de acordo com a aplicação (Figura 2.5), descritas abaixo em três categorias:

19 a) concretos leves estruturais: possuem resistência à compressão mínima aos 28 dias de 17,24 MPa, massa específica entre 1350 kg/m³ e 1900 kg/m³ e são empregados para fins estruturais; b) concretos isolantes: possuem valores de massa específica entre 300 kg/m³ e 800 kg/m³ e são utilizados somente para isolamento térmico; c) concretos com resistência moderada: possuem resistência à compressão entre 7 MPa e 17 MPa e suas características de isolamento térmico são intermediárias aos concretos isolantes e aos estruturais (NEVILLE, 1976). Figura 2.5 Intervalo de massas específicas secas de diversos concretos leves estruturais Fonte: Neville, (1976) De forma equivalente, Rossignolo (2003), apresenta os valores limites de massa específica para concretos leves baseado em documentos normativos ou de referência para os concretos leves (Tabela 2.2). Tabela 2.2 Dados de referência da massa específica dos concretos leves Referência Massa específica (kg/m³) RILEM (1975) g < 2000 CEB-FIP (1977) g < 2000 NS 3473 E (1992) 1200 < g < 2000 ACI 213R-87 (1997) 1400 < g < 1850 CEN pren 206-25 (1999) 800 g < 2000

20 Fonte: Rossignolo, (2003) Entre as vantagens de utilização dos concretos leves estruturais (CLE) com relação ao concreto tradicional é possível citar a redução das seções transversais de elementos estruturais compostos por outros tipos de materiais que venham a trabalhar de forma conjunta com o concreto leve, redução das dimensões das fundações, redução do peso próprio dos materiais com consequente aumento da produtividade no canteiro de obras, maior isolamento térmico e acústico do produto acabado, redução do tempo de execução, a possibilidade de se construir sobre solos com menor capacidade de suporte, menor custo com armaduras e maior durabilidade (SILVA, 2007). Por outro lado, os concretos leves possuem teores de cimento maiores que os concretos tradicionais, o que representa um custo adicional, tornando o concreto leve mais caro. Outras desvantagens são a limitação da resistência determinada pela resistência dos agregados de maiores dimensões e a maior dificuldade de ser dispor de caracterizações e procedimentos de dimensionamento (SILVA, 2007). Em termos de traço, a resistência à compressão dos concretos leves está normalmente associada com o teor de cimento para um dado abatimento e não com o fator água/cimento. Na maioria dos casos, essa resistência pode ser aumentada reduzindo-se a dimensão máxima do agregado e/ou substituindo-se o agregado leve miúdo por areia natural de boa qualidade (MEHTA & MONTEIRO, 1994). A Tabela 2.3 contém a relação entre a resistência à compressão média e o teor de cimento tanto para o concreto com agregado leve como para o concreto com areia e agregado leve. Tabela 2.3 Relação aproximada entre a resistência à compressão e o teor de cimento Resistência à compressão Cimento (kg/m³) MPa Agregado leve somente Agregado leve e areia natural 17,24 240-305 240-305 20,68 260-335 250-335 27,58 320-395 290-395 34,47 375-450 360-450 41,37 440-500 420-500 Fonte: Metha & Monteiro, (1994)

21 Assim como a resistência dos concretos leves não está associada à relação água/cimento, tampouco está com a resistência do agregado leve. Segundo Popovics (1992), não há uma correlação confiável entre a resistência dos agregados leves e a dos concretos obtidos a partir deles, embora os problemas de inadequação de resistência ocorram com maior frequência quando da utilização de agregados leves ao invés dos tradicionais. Agregados leves de menor massa unitária são geralmente menos resistentes, mas esta não é uma regra, pois esta relação é diretamente influenciada por outros fatores. Concretos leves, particularmente os utilizados em blocos, possuem absorção de água muito maior do que os concretos densos devido à maior quantidade de poros presentes nas partículas. Contudo, esse fato não é considerado de grande importância na prática, pois o concreto leve exposto às condições climáticas não é usualmente utilizado sem tratamento de prevenção adequado. Porém, em situações nas quais pode haver rápida secagem, a alta absorção de água pelo agregado é uma desvantagem (SHORT, 1962). Com relação à trabalhabilidade, a baixa densidade e a textura áspera característica dos agregados porosos, principalmente os britados, fazem com que seja necessária uma atenção especial a esta propriedade. O abatimento alto e a vibração excessiva são dois fatores responsáveis pela sedimentação da argamassa mais pesada, ficando em falta na superfície, onde é mais necessária para o acabamento. Este fenômeno é denominado flutuação do agregado graúdo, e é o inverso do que acontece com o concreto usual, onde a segregação resulta em um excesso de argamassa na superfície (MEHTA & MONTEIRO, 1994). Devido à sua permeabilidade baixa, consequentemente, o concreto leve possui desempenho bastante satisfatório quando exposto a ambientes quimicamente agressivos. A principal razão para a baixa permeabilidade e consequente durabilidade do concreto leve é a ausência generalizada de fissuração na zona de transição agregado-pasta. Sua condutividade térmica, cerca de metade do valor encontrado nos concretos tradicionais, ainda garante excelente resistência ao fogo (MEHTA & MONTEIRO, 1994). Em relação à condutividade, os concretos leves estruturais, embora mais resistentes, possuem menor desempenho quando comparados aos concretos leves para propósitos de isolamento térmico. Mesmo assim, sua condutividade ainda é considerada baixa em ralação aos concretos tradicionais (POPOVICS, 1992). Em decorrência ao seu baixo peso específico, quando comparado ao concreto tradicional, o CLE tem se mostrado extremamente importante na construção e recuperação de pontes. Isso pelo fato de que geralmente, nas pontes de grandes vãos o peso próprio da

22 estrutura de concreto chega a representar 70% das solicitações (Rossignolo & Agnesini, 2005). Essa redução do peso próprio estrutural, possibilitou que a construção em concreto leve do tabuleiro da ponte de São Francisco-Oakland Bay, em 1936, proporcionasse uma economia de 3 milhões de dólares em aço (MEHTA & MONTEIRO, 1994). Liu et. al (2010), utilizaram o concreto leve estrutural na recuperação do tabuleiro de pontes antigas focando os aspectos de construção e técnicas de controle de qualidade. Os estudos mostraram que a adoção de conectores de cisalhamento e mantas de aço aliados à utilização do concreto leve estrutural poderiam resolver os problemas de diminuição da força de rolamento de pontes antigas. De acordo com Vieira (2000), outra vantagem da utilização do concreto leve estrutural em pontes encontra-se na fase construtiva, quando esta é executada em balanços progressivos. Isso porque os esforços no carro são menores, permitindo um menor desgaste do equipamento e maiores avanços. A redução do peso próprio ainda permite a construção de pontes com elementos pré-fabricados que possam vencer vãos superiores aos alcançados com a utilização do concreto usual. Outra aplicação eficiente desse material ocorre em lajes de piso de grandes edifícios, uma vez que a resistência não é o fator mais importante nesse tipo de elemento. Como exemplo dessa aplicação é possível citar a Lake Point Tower, em Chicago (MEHTA & MONTEIRO, 1994). A tecnologia de aplicação de agregados leves também se estende à produção de concretos auto-adensáveis. Contudo, segundo Topçu & Uygunoglu (2010), os estudos dessa área são usualmente focados em propriedades reológicas e de trabalhabilidade. Desta forma a pesquisa realizada pelos autores buscou apresentar de forma extensiva a influência dos diferentes tipos de agregados leves (tufo vulcânico, pedra-pomes e diatomita) nas propriedades físicas e mecânicas dos concretos auto-adensáveis com posterior comparação ao mesmo tipo de concreto moldado com agregados convencionais. Os estudos mostraram que a utilização de tais agregados conferem menor resistência e maior capacidade de deformação ao concreto auto-adensável com agregados leves em comparação ao concreto auto-adensável comum. Além disso, a inserção de agregados leves em substituição à brita provoca um decréscimo do módulo de elasticidade devido à menor resistência dos mesmos. Quanto a condutividade térmica, tanto o concreto auto-adensável comum quanto o produzido a partir de agregados leves possuem valores maiores do que o concreto leve estrutural, isso por conta do maior teor de argamassa

23 utilizado para atingir a trabalhabilidade adequada. Além do mais, a substituição de pedra britada por agregados leves aumentou o isolamento térmico, resultando num decréscimo do consumo de energia entre 35 e 60% quando utilizado nas construções (TOPÇU & UYGUNOGLU, 2010). Haque & Al-Khaiat (1999), estudaram a durabilidade do concreto leve exposto a condições marinhas de elevadas temperaturas. A cura úmida de sete dias e posterior exposição ao meio agressivo embora mais benéfica ao concreto leve do que ao concreto usual, não impediu que a penetração de água e a profundidade de carbonatação fossem maior naquele. Os resultados sugerem, desta maneira, que quanto maior a penetração de água, maiores são os danos causados pela penetração de dióxido de carbono, sulfatos e íons cloreto. É importante salientar que a grande maioria das aplicações de concreto leve em termos mundiais continua sendo na produção de elementos e painéis pré-fabricados de concreto (Figura 2.6). O menor peso dos elementos reduz os custos com equipamentos de manuseio, transporte e construção, sendo mais convenientes para esse tipo de construção do que o concreto com agregados tradicionais (MEHTA & MONTEIRO, 1994). Figura 2.6 Utilização de concreto leve em pré-fabricados Fonte: Rossignolo, (2003) Concretos leves com resistência à compressão compreendidas entre 35 e 55 MPa têm sido usados em larga escala na pré-fabricação, essencialmente em blocos de alvenaria, vigas com seção I, retangulares ou em caixão, painéis e lajes alveolares, bancadas e degraus de estádios (SILVA, 2007).

24 Concretos leves de alto desempenho (CLAD) têm sido usados na construção de plataformas offshore (Figura 2.7) por duas razões fundamentais, sendo elas, a maior flutuabilidade e a maior resistência específica (CRUZ et. al, 2000). A maioria delas é construída em estaleiros para posteriormente serem transportadas para o local de uso definitivo, sendo, portanto, necessário reduzir o peso da estrutura. No caso dessas estruturas é essencial que se alie simultaneamente agregados leves e de alto desempenho, por estas estarem expostas a ambientes de alto grau de agressividade (HOLM & BREMNER, 1994). Figura 2.7 Plataforma Troll Fonte: Silva, (2007) De fato, o concreto leve estrutural possui inúmeras vantagens quando comparado ao concreto tradicional, e, salvo alguns critérios e medidas preventivas a serem seguidos e adotados para sua aplicação, possuem enorme potencial de utilização. Os estudos desenvolvidos na área além de promover o desenvolvimento tecnológico agregam valor e qualidade aos produtos e serviços prestados no setor construtivo (MAYCÁ et. al, 2008). 2.3 Principais Agregados Utilizados na Produção de Concretos Leves A seguir serão apesentados os principais tipos de agregados leves utilizados na indústria da construção civil, bem como suas características e propriedades mais relevantes.

25 2.3.1 Pedra pomes Segundo Neville (1976), entre os agregados leves naturais disponíveis, a pedra pomes, é o mais amplamente empregado na produção de concretos leves. O agregado, de origem vulcânica, é caracterizado pela coloração clara e massa específica na faixa de 500 a 900 kg/m³. As variedades compreendidas nesse intervalo de valores, as quais segundo o autor são suficientemente resistentes, são capazes de produzir concretos de desempenho aceitável com densidade entre 700 e 1400 kg/m³. Sua característica esponjosa é decorrente dos poros formados por gases que tentam escapar da lava fundida quando esta atinge a superfície da terra. Isso confere ao agregado uma estrutura interna com poros pequenos equilibradamente distribuídos e parcialmente interligados. A maioria das variedades encontradas é suficientemente resistente para produzir concretos leves de boa qualidade para propósitos estruturais, como lajes de piso e cobertura, paredes e painéis, principalmente na indústria de pré-moldados (POPOVICS, 1992). 2.3.2 Perlita expandida Oriundo de um processo industrial de fabricação, a perlita expandida está entre os agregados inorgânicos mais leves que existem, sendo que sua massa específica gira na faixa de 30 a 240 kg/m³. O material básico desse agregado pertence a um grupo de rochas efusivas densas, vítreas, com alto teor de água (2 a 6%) e estrutura interna composta de anéis concêntricos. O mecanismo fundamental de expansão da rocha sólida está no ponto de fusão, de tal forma que os poros se mantêm conectados pelo material fundido ao mesmo tempo em que o material permanece viscoso suficientemente para manter os fluxos desenvolvidos e/ou os gases internos sob pressão. Esse mecanismo expande as partículas, possibilitando o surgimento de uma estrutura interna porosa que é mantida após o resfriamento (POPOVICS, 1992; NEVILLE, 1976). De acordo com Popovics (1992), se a rocha atinge o ponto de fusão a baixas temperaturas (700 a 800 C), então, aquecendo-a ainda mais, a partícula de rocha torna-se plástica de forma integral, e a expansão ocorre igualmente nas três dimensões. A extensão com que as partículas se expandem também é influenciada pela dimensão das partículas no estado bruto. O tamanho ótimo dessas partículas, por sua vez, é influenciado pelas propriedades do material antes do aquecimento, embora a dimensão de 0,5 mm tenha se mostrado razoável para vários tipos de perlitas.

26 O material possui cerca de 10% do peso de agregados tradicionais como a areia e a brita, e é ideal para utilização em preenchimento de telhados isolantes e plataformas estruturais de telhados. Além do mais, a superfície selada das partículas, permite que sejam feitas misturas com aproximadamente 30% menos água do que as realizadas com outros tipos de agregados leves. Outras vantagens que o agregado proporciona são o baixo peso, o retardo ao fogo em estruturas, o isolamento térmico e a facilidade de manipulação (PERLITE INSTITUTE, 2012). 2.3.3 Argila, xisto e ardósia expandidos Os agregados leves de argila, xisto e ardósia expandidos são obtidos pelo aquecimento adequado das matérias-primas em fornos rotativos até o ponto de fusão incipiente, entre 1000 e 1200 C, quando a expansão dos materiais se dá pela geração e aprisionamento de gases no interior da massa viscosa. Esta estrutura porosa, que permanece após o resfriamento do material, faz com que a massa específica aparente desses agregados seja menor do que antes do tratamento térmico. Na maioria das vezes, esses materiais são reduzidos ao tamanho desejável antes da calcinação, embora o esmagamento do material após a expansão também possa ser aplicado (NEVILLE, 1976). A expansão também pode ser alcançada através do processo de sinterização. Nesse caso, o material umedecido é carregado por uma espécie de esteira sob incineradores, de forma que o calor penetra gradualmente no interior da estrutura do material. Assim como no processo de forno rotativo o material é pelotizado antes da calcinação ou esmagado após o processo (NEVILLE, 1976). Vale destacar, que do material previamente pelotizado possibilita a produção de partículas lisas semi-impermeáveis ou revestidas com formatos esféricos e baixa absorção de água quando comparadas a agregados desprovidos de tal revestimento (NEVILLE, 1976; POPOVICS,1992). Os agregados de xisto e argila expandidos fabricados pelo processo de sinterização possuem densidade entre 650 a 900 kg/m³, enquanto os produzidos em fornos rotativos possuem valores de densidade entre 300 e 650 kg/m³. As variedades mais densas desses agregados podem ser utilizadas em concretos leves estruturais, paredes de concreto e até mesmo em estruturas de concreto protendido. Existem registros de resistências à compressão de até 57,7 MPa, alcançados em concretos moldados com argila expandida, e de até 48,3 MPa em concretos produzidos com xisto expandido. Geralmente, tais

27 variedades de concreto possuem resistência à compressão maior do que qualquer outro que utilize outras variedades de agregados leves (NEVILLE, 1976; POPOVICS, 1992). 2.3.4 Cinzas volantes As cinzas volantes, obtidas do processo de combustão do carvão em pó, quando sinterizadas podem prover agregados leves (cerca de 900 kg/m³) de boa qualidade para aplicação em concretos. O material é economicamente viável, pois além de ser um subproduto contém uma quantidade suficiente de carbono (3 a10%) para reduzir os custos com combustíveis. Os tipos de cinzas volantes utilizadas no fabrico de agregados leves são geralmente os provenientes do carvão betuminoso (POPOVICS, 1992). O processo usual de fabrico passa primeiramente pelo preparo dos grânulos extrudados das cinzas volante através da adição de água. Posteriormente o material é queimado em esteiras ou sinterizadores a cerca de 1260 C, temperatura que amolece e aglomera os grânulos transformando-os em partículas maiores. A estrutura interna do material sinterizado é multicelular, onde os vazios do interior das partículas são produzidos pela evaporação da água e eliminação de carbono durante o processo (POPOVICS, 1992). Atualmente o mercado de agregados leves representa uma das mais atrativas oportunidades para a utilização comercial de cinzas volantes sem problemas sazonais, pois o agregado pode ser armazenado por tempo ilimitado a céu aberto sem perdas, problemas ambientais ou estragos provocados pelo ciclo do congelamento/descongelamento (KLOTTEN, 2012). O alto potencial de aplicação dos agregados leves constituídos por cinzas volantes está na produção de concretos e seus produtos, e blocos de alvenaria. Concretos com resistência de 41,5 MPa também têm sido produzidos com as variedades mais pesadas do agregado, garantindo o potencial da aplicação do material em concretos estruturais (KLOTTEN, 2012; POPOVICS, 1992). 2.3.5 Vermiculita A vermiculita é um mineral natural no qual o processo de expansão para criação do agregado ocorre de forma similar ao da perlita, exceto pelo fato de que a vermiculita expande mais em uma única direção como resultado de sua estrutura laminar. As propriedades técnicas desse tipo de agregado são similares às encontradas na perlita expandida, e, independente do processo de fabricação, por expansão ou esfoliação, o

28 agregado é utilizado na grande maioria das vezes em concretos isolantes (POPOVICS, 1992). Segundo Neville (1976) a vermiculita possui estrutura um tanto quanto similar à da mica, sendo geralmente encontrada na América e na África. Quando aquecida em temperaturas entre 650 a 1000 C o material é capaz de expandir cerca de 30 vezes o seu volume inicial pela esfoliação de suas placas. Como resultado, a massa específica da vermiculita expandida é muito baixa, em torno de 60 a 130 kg/m³. Já o concreto confeccionado com esse tipo de agregado leve possui pouca resistência e alta retração, mas é um excelente isolante térmico. 2.3.6 Escória de alto-forno expandida Os agregados de escória de alto forno podem ser produzidos de duas formas distintas. Na primeira, uma quantidade limitada de água na forma de spray entra em contato com a escória fundida quando ela está sendo descarregada pelo forno. Em seguida, ocorre a formação de vapor e inicia-se o processo de expansão e resfriamento da massa fundida, que, após o endurecimento, transforma-se em um agregado de estrutura porosa. No processo com utilização de máquinas, o material fundido é agitado rapidamente com quantidade controlada de água. Assim como no processo anterior, o vapor é aprisionado no interior da massa, havendo também a ocorrência de gases formados pela reação química entre constituintes da escória fundida com o vapor de água. A escória de alto-forno expandida possui massa específica variando entre 300 e 1100 kg/m³, dependendo dos detalhes do processo de resfriamento. As variedades mais leves têm aplicação em agregados para blocos de concreto e concretos isolantes, enquanto os mais densos são destinados à painéis e lajes de concreto reforçado, além de paredes de concreto moldadas in loco. 2.4 Os processos de produção A utilização da argila expandida como agregado graúdo na confecção de matrizes cimentícias de concreto é economicamente viável em decorrência da significativa redução da massa específica que esses agregados proporcionam, minimizando as cargas atuantes nas estruturas (MORAVIA et. al, 2006). Esse material é resultante do aquecimento de alguns tipos de argila a cerca de 1200 C, e, próximo dessa temperatura, uma parte dos constituintes do material se funde produzindo uma massa viscosa, enquanto a outra parte sofre uma decomposição química