PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS CURSO DE ENGENHARIA CIVIL Disciplina: MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO CIVIL - I Código: ENG1071 Tópico: AULA 2 Agregados Turma/curso: Engenharia Civil Professor: Elias Rodrigues Liah, Engº Civil, M.Sc. Goiânia - 2014 Introdução Os agregados são materiais granulares, sem forma e volume definidos. Ocupam de 60 a 80% do volume total do concreto, portanto sua qualidade é de grande importância para a qualidade final do mesmo. Representam cerca de 20% do custo do concreto (motivação econômica); As características dos agregados que mais se destacam para a fabricação do concreto são: porosidade, composição granulométrica, absorção de água, forma e textura superficial das partículas, resistência à compressão, módulo de elasticidade e, os tipos de substâncias deletérias presentes. 1
Essas características dos agregados influem nas propriedades do concreto. No estado fresco podem afetar sua coesão, consistência e trabalhabilidade e no estado endurecido a resistência à compressão, estabilidade dimensional, durabilidade, resistência à abrasão e aspecto visual. Têm emprego variado: como material filtrante e de drenagem, como lastro de vias férreas, material para execução de bases rodoviárias, em misturas betuminosas e, principalmente, como material inerte para a produção de argamassas e concretos. Dentre os materiais que são comumente empregados como agregados, pode-se destacar: Seixo Rolado; Pedregulho; Cascalhos; Granito (quartzo, feldspato e mica); Gnaisse; Calcários; Mármore; Dolomita (Carbonato de Cálcio e Magnésio - Siderita, Magnesita); Basalto; Diabásio; Escorias de alto-forno; Escorias de aciaria; Entulho Reciclado da Construção; Saibro (mistura de areia e argila); Areia de rio; Areia de várzea; Areia de cava; Dentre outros. 2
2. Classificação Quanto à origem: Naturais: encontrados na natureza e podem requerem processos simples de lavagem ou seleção. Ex: areia, seixo rolado, cascalho, pedregulhos; Artificiais: materiais processados industrialmente, incluindose britagem, a partir de matérias-primas naturais. Ex: brita (pedra britada), pedrisco, concreto reciclado de demolições. Industrializados: aqueles que são obtidos por processos industriais. Ex.: argila expandida, escória britada. Quanto à massa específica: Leves: agregados com massa específica menor que 2000 kg/m3. Ex: argila expandida, vermiculita; Normais: agregados com massa específica entre 2000 kg/m3 e 3000 kg/m3. Ex: areias naturais de cava ou praia, pedras britadas, pedregulho, etc; Pesados: agregados com massa unitária acima de 3000 kg/m3. Ex: barita, magnetita, hematita, etc. Agregados Industrializados Agregados Leves: Argila expandida: a argila é um material muito fino, constituído de grãos lamelares de dimensões inferiores a dois micrômetros, formada, em proporções muito variáveis, de silicato de alumínio e óxidos de silício, ferro, magnésio e outros elementos. Para se prestar para a produção de argila expandida, precisa ser dotada da propriedade de piro-expansão, isto é, de apresentar formação de gases quando aquecida a altas temperaturas (acima de 1000 oc). Nem todas as argilas possuem essa propriedade. O principal uso que se faz da argila expandida é como agregado leve para concreto, seja concreto de enchimento, seja concreto estrutural ou pré-moldados com resistência de até fck 30MPa. O concreto de argila expandida, além da baixa densidade de 1,0 a 1,8, apresenta muito baixa condutividade térmica cerca de 1/15 da do concreto de britas de granito. 3
Escória de alto-forno: é um resíduo resultante da produção de ferro gusa em altos-fornos, constituído basicamente de compostos oxigenados de ferro, silício e alumínio. A escória simplesmente resfriada ao ar, ao sair do alto forno (escória bruta), uma vez britada, pode produzir um agregado graúdo. Normalmente, após receber um jato de vapor, a escória é resfriada com jatos de água fria, produzindo-se, então, a escória expandida, de que resulta um agregado da ordem de 12,5/32mm. Quando é imediatamente resfriada em água fria, resulta a escória granulada, que permite obter um agregado miúdo de graduação 0/4,8mm, aproximadamente. A escória granulada é usada na fabricação do cimento Portland de alto-forno. Usa-se a escória expandida como agregado graúdo e miúdo no preparo de concreto leve em peças isolantes térmicas e acústicas, e também em concreto estrutural, com resistência a 28 dias da ordem de 8-20 MPa e densidade da ordem de 1,4. Quanto às dimensões: Miúdos: agregados cujos grãos passam pela peneira 4,75 mm ressalvados os limites estabelecidos na ABNT NBR 7211:2009, em ensaio realizado de acordo com a NBR NM 248; No comércio a areia é classificada como: grossa (grãos com diâmetro entre 2 e 4,8 mm), média (grãos com diâmetro entre 0;42 e 2 mm) ou, fina (grãos com diâmetros entre 0,07 e 0,42 mm). A areia média é ideal para produção de concretos e a fina para fabricação de argamassas de revestimento. A areia média serve para argamassas de bases (mais grossas) e para compor com areia grossa ou fina para melhorar a distribuição de tamanho dos grãos. Areia de brita ou areia artificial: obtida dos finos resultantes da produção da brita dos quais se retira a fração inferior a 0,15mm. Sua graduação é 0,150 / 4,8 mm. Filler: é o material que passa na peneira nº 200, cuja abertura de malhas tem dimensão de 0,075 mm. Os grãos são da mesma ordem de grandeza do cimento. É chamado de pó de pedra. 4
Quanto às dimensões: Graúdos: agregados cujos grãos passam pela peneira 75 mm e ficam retidos na peneira 4,75 mm, ressalvados os limites estabelecidos na ABNT NBR 7211:2009, em ensaio realizado de acordo com a NBR NM 248. Bica-corrida: material britado no estado em que se encontra à saída do britador. Chama-se primária quando deixa o britador primário (graduação na faixa de 0 a 300 mm) e secundária, quando deixa o britador secundário (graduação na faixa de 0 a 76 mm). Rachão: agregado constituído do material que passa no britador primário e é retido na peneira de 76mm. É a fração acima de 76 mm da bica corrida primária. É a fração acima de 76mm da bica-corrida primária. O rachão também é conhecido como pedra de mão e geralmente tem dimensões entre 76 e 250mm. Pedra de mão: são blocos de pedra britada ou cascalho com dimensões acima de 200 mm. Seixo rolado ou cascalho: É um sedimento fluvial de rocha, também chamado de pedregulho, possui grãos com diâmetro maior que 5 mm até cerca de 100 mm. A classificação das pedras é feita basicamente pelo seu diâmetro, sendo que esta classificação varia um pouco. Veja a seguir uma classificação corrente: 5
3. Distribuição granulométrica Para a determinação da distribuição granulométrica dos agregados, são utilizadas duas séries de peneiras: normal e intermediária, conforme a Tabela 1. A distribuição granulométrica deve atender aos limites das Tabelas 2 e 3. Definições (NBR 7211:2009): Dimensão Máxima Característica: grandeza associada a distribuição granulométrica do agregado, correspondente a abertura nominal, em milímetros da malha da peneira da série normal ou intermediária na qual o agregado apresenta uma porcentagem retida acumulada igual ou imediatamente inferior a 5% em massa; Módulo de finura: soma das porcentagens retidas acumuladas em massa de um agregado, nas peneiras da série normal, dividida por 100. 6
Nota: módulos de finura das faixas granulométricas variam: a. Entre 2,20 e 2,90 para a zona ótima; b. Entre 1,55 e 2,20 para a zona utilizável inferior; c. Entre 2,90 e 3,50 para a zona utilizável superior. 7
8
4. Substâncias nocivas As quantidades de substâncias nocivas devem atender aos limites da Tabela 3. No caso de agregados miúdos produzidos pela britagem de rochas (areia industrializada), os limites para material fino apresentados na Tabela 3 podem ser alterados de 3% para 10% em concreto submetido a desgaste superficial e de 5 % para 12% em concreto protegido de desgaste superficial, desde que se comprove, por apreciação petrográfica, que o material não interfere nas propriedades do concreto. 5. Durabilidade a. Em agregados de regiões litorâneas ou extraídos de águas salobras ou ainda quando houver suspeita de contaminação natural ou industrial, os teores de cloretos e sulfatos não devem ultrapassar os limites da Tabela 4; b. A apreciação petrográficaindica a natureza mineralógica potencial reativa ou não do agregado. Agregados potencialmente reativos devem ser ensaiados pelo método ASTM C 1260, não devendo apresentar expansão maior que a estabelecida na Tabela 4. Agregados com expansão superior a 0,10% só podem ser utilizados em concretos com teor total de álcalis menor ou igual a 3 kg/m3 ou quando for comprovado que o cimento utilizado atua como inibidor da reação álcali-agregado, como ocorre em alguns cimentos com adições minerais. Alternativamente pode-se verificar a reatividade do agregado de acordo com a NBR 9773. Se a apreciação petrográficafornecer indicações de que o agregado não é reativo e não houver histórico do comportamento danoso do material, pode-se prescindir do ensaio de reatividade. 9
10
11
Obtenção de agregados Os agregados para concreto podem ser obtidos por meio das seguintes instalações: Instalação de lavagem e peneiramento para areias e cascalhos; Instalação de britagem, lavagem e peneiramento para pedras britadas. Areia natural e cascalho a) Extração A extração de areia e cascalho é feita em depósitos aluvionares ou leito de rios. Mediante utilização de equipamentos tais como: draga, trator de lâmina, escavadeira e pá carregadeira. Para obtenção de 1 m3 de cascalho, de modo geral, é necessário a escavação de 3 a 4 m3 de jazida. Para obtenção de 1 m3 de areia, de modo geral, é necessário a dragagem de 1 m3 de jazida. 12
b) Beneficiamento O beneficiamento de cascalho e areia consiste de lavagem e peneiramento do material bruto, estocando-se separadamente cada graduação de agregado. Na instalação de beneficiamento de cascalho, o material bruto é introduzido em peneira rotativa, onde o peneiramento com água separa o cascalho da areia e finos. O cascalho é peneirado nas diversas graduações enquanto a areia é separada dos finos em lavador de parafuso. As Figuras 22 e 23 mostram esquemas de instalações de beneficiamento de areia e de cascalho 13
Pedra britada a) Extração da rocha O processo produtivo se inicia com a detonação da rocha através do uso de explosivos, devidamente licenciados e fiscalizados pelos órgãos competentes, (Ministério do Exército e Polícia Civil), e manuseados por funcionários habilitados. Desta forma acontece o desmonte da rocha que será preparada por um rompedor de rocha e em seguida encaminhada para a instalação de britagem. b) Fragmentação secundária Após a extração de grandes blocos, dependendo do seu tamanho, poderá ser necessário reduzi-los para tamanhos adequados para alimentar um britador primário. Esta operação poderá ser realizada por detonações (fogachos) ou por meio mecânico, como o dropp ball, que consiste em uma grande bola de aço que, por meio de um guindaste, deixa-se cair sobre o material, fraturando-o. 14
c) Transporte Após as operações de extração e fragmentação, o material é transportado até o alimentador do britador primário. A escolha do tipo de transporte deve ser bem estudada, tendo em vista os custos envolvidos e as características do local. Pode-se utilizar transporte rodoviário, ferroviário, fluvial ou marítimo, além de esteiras, cabos aéreos, dentre outros. d) Britagem Em geral, uma instalação de processamento de agregados conta com um britador primário e um secundário. É grande a variedade de tipos e tamanhos de britadores que existem no mercado. Pode-se classificar os britadores nos seguintes tipos principais: De movimento alternativo ou britador de mandíbula; De movimento contínuo giratórios ou de rolos; De martelos, de bolas ou de barras. 15
e) Peneiramento Após o material ser britado, ele é passado por uma série de peneiras, objetivando dividi-lo em grupos de tamanhos denominados de graduação. f) Lavagem É comum o agregado obtido pela fragmentação da rocha possuir uma excessiva quantidade de finos, o que prejudica consideravelmente a sua qualidade. É comum utilizar-se, então, lavadores de agregados, que em geral são acoplados às peneiras, de forma que a água com as impurezas são colhidas após a última peneira. Em algumas instalações esta água, contendo areia artificial e finos, é conduzida a um lavador de parafuso, onde um fluxo de água provoca a separação entre o material utilizável e as impurezas. A areia, mais densa que as impurezas, se deposita no fundo, de onde é arrastada pelo parafuso sem fim até a parte superior do lavador, de onde é conduzida até o silo de estocagem. 16
g) Estocagem A partir daí começa o processo de classificação da pedra em diversos subprodutos: britas de diversas granulometrias, pó-de-pedras e areia artificial. Nesta fase utilizam-se correias transportadoras que levam os materiais diretamente aos seus locais de estocagem. São necessários cuidados nesta fase, evitando-se que haja segregação do agregado nas pilhas de estocagem, contaminação por material fino ou solo. A Figura 24 mostra esquema de instalação de britagem de agregado. 17
Qualificação de agregados As características principais de um agregado são as seguintes: Resistência mecânica A resistência à compressão, a resistência à abrasão e o módulo de elasticidade dos agregados são propriedades interrelacionadas, que são influenciadas pela porosidade. Os agregados naturais comumente usados para a produção de concreto convencional são geralmente densos e resistentes. A resistência à compressão dos granitos, basaltos, arenito quartzitico e calcáreos densos varia de 210 a 310 MPa. 6.4.2 Módulo de elasticidade É a relação entre a tensão e a deformação no regime elástico, conforme expressão abaixo. É determinado em testemunhos de rocha, preparados da mesma forma que os utilizados nos ensaios de resistência à compressão, porém utilizando relação altura/diâmetro dos corpos de prova de 2,5 a 3. 18
Massa específica e Massa unitária Os agregados naturais são porosos, valores de porosidade de até 2% são comuns para rochas ígneas intrusivas, de até 5% para rochas sedimentares densas e de 10% a 40% para arenitos e calcáreos muito porosos. Para efeito de dosagem do concreto, é importante conhecer o volume ocupado pelas partículas do agregado, incluindo os poros existentes dentro das partículas. Portanto, é suficiente a determinação da massa específica, que é definida como a massa do material por unidade de volume, incluindo os poros internos das partículas, como dado pela expressão: Para rochas comumente utilizadas, a massa específica varia entre 2600 e 2700 kg/m3, valores típicos para granito, arenito e calcáreo denso são 2690, 2650 e 2600 kg/m3, respectivamente. A massa unitária é definida como a massa das partículas do agregado que ocupam uma unidade de volume. O fenômeno da massa unitária surge porque não é possível empacotar as partículas dos agregados juntas, de tal forma que não haja espaços vazios. O termo massa unitária é relativo ao volume ocupado pelos grãos de agregado e pelos espaços vazios entre os grãos, conforme expressão: A massa unitária dos agregados comumente usados em concreto varia de 1300 a 1750 kg/m3. 19
Dimensão máxima Característica DMC ou DMA A dimensão máxima do agregado é, designada pela dimensão da abertura da peneira em milímetros na qual fica uma porcentagem retida acumulada igual ou imediatamente inferior a 5% em massa. Um dos fatores que governam a escolha da dimensão máxima do agregado para uma mistura de concreto é a compatibilização do tamanho do agregado com as dimensões da peça e espaçamento das ferragens dentro desta peça. Considerando este fator, a dimensão máxima do agregado não deve ser superior a: 1/4 da menor distância entre as faces internas das formas; 1/3 da espessura das lajes; 0,83 do espaço entre duas barras horizontais da armadura; o dobro do espaço entre duas barras verticais da armadura. Módulo de Finura MF Soma das porcentagens retidas acumuladas em massa de um agregado, nas peneiras da série normal, dividida por 100. Textura superficial A textura superficial do agregado influencia mais as propriedades do concreto no estado fresco do que no estado endurecido. É o grau de quanto a superfície do agregado é lisa ou áspera, baseado em uma avaliação visual. A textura superficial do agregado depende da: Dureza; Granulação; Porosidade da rocha matriz e da sua exposição à ação de atrito. A resistência do concreto, particularmente a resistência à flexão, pode ser afetada pela textura do agregado; uma textura mais áspera parece favorecer a formação de uma aderência mecânica mais forte entre a pasta de cimento e o agregado. 20
Forma dos grãos Da mesma forma que a textura superficial, a forma dos grãos do agregado influencia mais as propriedades do concreto no estado fresco do que no estado endurecido. Quanto mais arredondada for a forma dos agregados, mais trabalhável será o concreto e argamassa com eles produzidos. Além do mais, com estes agregados serão produzidos concretos com menor consumo de cimento, o que é vantagem tanto no aspecto técnico como no econômico. Os grãos do agregado podem ter formas: Arredondadas formadas pelo atrito, com conseqüente perda de vértices e arestas. Ex: areia e pedregulho de rio; Angulosas resultantes da britagem de rochas, possuindo vértices e arestas bem definidos; Lamelares ou achatadas quando uma das dimensões (espessura) é bem menor que as outras duas dimensões; Alongadas -quando uma das dimensões (comprimento) é bem maior que as outras duas dimensões. A medida da lamelaridade do agregado é realizada pelo método do paquímetro, onde se determina a relação entre a maior e a menor dimensão do agregado, considerando como lamelar o agregado que apresente esta relação superior a 3. Composição mineralógica de agregados Diversos processos podem levar a formação de rochas com diferentes características e aplicações. Rocha pode ser definida como agregado de minerais formado por processos naturais. Esses agregados podem conter, ainda, matéria orgânica e vidro. Em outras palavras, as rochas são registros de processos naturais ocorridos em algum lugar do passado. A identificação de cada tipo de rocha ígnea ou magmática, sedimentar e metamórfica baseia-se em um conjunto de características essenciais: a composição, a textura e a estrutura. Composição: a composição mineral e química da rocha; A textura é o termo que se refere às características de tamanho, forma e arranjo dos grãos minerais que constituem a rocha. A característica textural de uma rocha é diretamente relacionada ao processo formador, sendo, portanto, um critério fundamental para sua classificação. Entende-se por estrutura a ocorrência de agregados de minerais formando padrões bem definidos, muitas vezes geométricos, na rocha. Embora nem sempre presente, as estruturas refletem em geral as condições dinâmicas do ambiente de sua formação, sendo, assim, um aspecto valioso na identificação e classificação das rochas 21
Assim, podemos esperar que as rochas formadas por cada processo apresentem um conjunto de características texturaise estruturais, que, aliadas à composição mineral, permita reconhece-las e classificá-las. Rochas Ígneas ou Magmáticas As rochas ígneas são formadas a partir do resfriamento e conseqüente cristalização de um magma. O magma é uma fusão, geralmente de composição silicática(ou seja, rica em SiO2), gerada em profundidade pela fusão parcial de outras rochas. Granito Dá-se ao nome de granito a uma rocha eruptiva que é composta por três minerais essenciais, sendo eles: o quartzo, o feldspato alcalino e as micas. Outros minerais como o piroxênio, biotita, anfibólio e mica branca podem fazer parte da composição desta rocha, sendo que a partir destes minerais é que se designa o tipo de granito. Quartzo É o mineral mais comum, composto por dióxido de silício (SiO2). Ocorre em todo o mundo como componente de rochas ou em forma de depósitos puros e é um elemento essencial das rochas ígneas. Nas rochas metamórficas, é componente principal de diferentes tipos de gnaisses e de xisto. O quartzito é formado basicamente de quartzo. O quartzo branco tem cor leitosa devido à presença de pequenas inclusões de líquidos ou gases. Mica Termo que se aplica a um grupo de minerais que se caracterizam por uma esfoliação basal perfeita, que separa o material em folhas muito finas e um tanto elásticas. São silicatos complexos de alumínio cuja cor varia de acordo com sua composição. As mais importantes são a moscovita, que contém potássio e alumínio, e a biotita, que contém potássio, magnésio, ferro e alumínio. Basalto É uma rocha efusiva, de cor preta ou cinza escura, podendo apresentar vesículas, que quando preenchidas formam as amígdalas, cuja constituição pode apresentar minerais como o quartzo, que vem sendo explorado no Estado do Rio Grande do Sul, no Brasil. 22
Rochas Sedimentares Em geologia, rochas compostas por materiais transformados, formadas pela acumulação e consolidação de matéria mineral pulverizada, depositada pela ação da água e, em menor quantidade, do vento ou do gelo. Arenito Rocha sedimentar com granulado grosso, formada por massas consolidadas de areia. Sua composição química é a mesma da areia; assim, a rocha compõe-se essencialmente de quartzo. Na cidade de Vila Velha, no Estado do Paraná, existem muitas formações rochosas de arenito. Ele é muito utilizado na construção civil. Calcário Tipo comum de rocha sedimentar, composta por calcita. O calcário cristalino metamórfico é conhecido como mármore. Muitas variedades formaram-se pela união de conchas do mar de diferentes animais marinhos Rochas Metamórficas São rochas cuja composição e textura originais foram alteradas pelo calor e pela pressão existentes nas profundidades da crosta terrestre. Gnaisse Rocha metamórfica na qual os minerais separaram-se em camadas paralelas, criando uma estrutura laminar ou de bandas. Ardósia É uma argila alterada sob forte calor e pressão. Em determinadas regiões, usam-se placas de ardósia para cobrir as casas. Essas placas são leves e impermeáveis. Mármore Variedade cristalina e compacta de calcário metamórfico, que pode ser polida até que se obtenha um grande brilho. Empregada principalmente em construção e como material para esculturas. Comercialmente, o termo amplia-se para incluir qualquer rocha composta de carbonato de cálcio que possa ser polida, como, por exemplo, alguns calcários comuns. Inclui também, em termos genéricos, pedras como o alabastro, a serpentina e, às vezes, o granito. 23
ENSAIOS E NORMAS Agregados Para Concreto (NBR 7211: 2009) Amostragem de agregados e redução para ensaios de laboratório (NBR NM 26: 2009 E NBR NM 27: 2001) Composição Granulométrica dos Agregados (NBR NM 248: 2003) Determinação do teor de material pulverulento (NBR NM 46: 2003) Teor de argila em torrões e materiais friáveis (NBR 7218: 2010) Índice de forma de agregado graúdo pelo método do paquímetro (NBR 7809: 2006) versão corrigida 2008 Agregados determinação da massa unitária e volume de vazios (NBR NM 45: 2006) Agregado graúdo - ensaio de abrasão "los angeles" (NBR NM 51 2001) Massa específica, massa específica aparente e absorção do agregado graúdo (NBR NM 53: 2009) Massa específica, massa específica aparente e absorção do agregado miúdo (NBR NM 52: 2009 E NBR NM 30: 2001) Impurezas orgânicas em agregados miúdos (NBR NM 49: 2001) Ensaio de qualidade da areia (NBR 7221: 1987) Ensaio de inchamento da areia (NBR 6467: 2006) Determinação da umidade superficial em agregado miúdo - método do frasco de Chapman (NBR 9775: 1987) Agregados - determinação do teor de umidade total, por secagem, em agregado graúdo (NBR 9939: 1987) 24