CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO COM AREIA ARTIFICIAL Paulo Hidemitsu Ishikawa 1 1 Prof. Me. do curso Construção Civil Edifícios da FATEC-SP paulo.ishikawa@uol.com.br Resumo Esta pesquisa tem como proposta analisar a utilização da areia artificial em substituição à areia de rio na produção de concreto de alto desempenho, uma vez que a mesma é encontrada em abundância nas pedreiras próximas a RMSP (Região Metropolitana de São Paulo). Foram produzidos concretos nos traços de (1:1,5:0,26); (1:2,0:0,30); (1:2,5:0,35) e (1:3,0:0,37) com adição de sílica ativa de 0,8% em massa do cimento. Para tornar os concretos trabalháveis são adicionados aditivos plastificantes, na quantidade de 0,4% em massa do cimento, e de aditivo superplastificante nas quantidades variando de 1,25% a 2,0%. No concreto fresco foram determinados o abatimento e massa específica. No estado endurecido são determinadas as propriedades de resistência à compressão simples, módulo de elasticidade, tração por compressão diametral, absorção de água por capilaridade e por imersão e fervura. A areia artificial de granito foi utilizada sem descarte de finos abaixo de 75 μm conforme coletado na pedreira. Os resultados obtidos confirmam a sua viabilidade do uso da areia artificial em substituição à areia natural. 1. Introdução Na produção de concreto de alto desempenho tem se utilizado como agregado miúdo uma mescla de agregados miúdos visando melhorar o pacote granulométrico com menos vazios entre os grãos [1]. Tem se como tradição utilizar areia natural como agregado miúdo, no entanto, o custo desta tem se apresentado maior devido às despesas de transporte, uma vez, que os portos estão a uma distância, aproximada, de 80 a 120 km do grande centro consumidor. O custo de transporte representa, em torno, de 60% do valor final da areia. A amostra de areia artificial de granito foi coletada na pedreira instalada no bairro de Perus na cidade de São Paulo e a amostra de areia natural de rio é da cidade de Caçapava, no Vale do Paraíba, estado de São Paulo. 2. Areia Artificial Este material até pouco tempo considerado como rejeito com pouco valor comercial tem difícil colocação no mercado para produção de concreto, pela falta de conhecimento ou pesquisa desenvolvida na área[2]. Observa-se, nas pedreiras, a montanha de areia artificial que se acumula da britagem da rocha na produção de agregado graúdo. Nas pedreiras de granito, o material residual, pó de pedra ou areia artificial varia de 10% a 40%, conforme tipo de britagem [3]. Assim, o uso da areia artificial é uma alternativa econômica em substituição às areias extraídas de rios ou de jazidas, minimizando o impacto ambiental que estas provocam [4]. 3. Concreto de Alto Desempenho O concreto como um dos materiais mais utilizados na construção civil é um dos materiais multi-fásicos mais complexos na Engenharia Civil. No Brasil observa-se que a maioria da estruturas das edificações e pontes é construída em concreto armado, incluindo o concreto protendido. O concreto é um material complexo e ao mesmo tempo, versátil, pois podemos obter resistências mecânicas necessárias para atender os diversos projetos estruturais. A complexidade está em se utilizar os diversos tipos e classes de cimento Portland além da diversidade de tipos de agregados disponíveis na produção de concreto. A partir da década de 70 iniciou-se a utilização do resíduo industrial, sílica ativa. Esse resíduo é oriundo da produção de silício ou ferro silícico. O aproveitamento deste resíduo foi possível com o advento dos aditivos superplastificantes ou super redutores de água e assim foi possível a produção de concreto de alta resistência (CAR) e também de alto desempenho (CAD). Atualmente o concreto de alta resistência ou alto desempenho é aplicado em projetos específicos, como em edifícios altos e estruturas que requerem maior resistência mecânica e durabilidade [1]. Define-se como concreto de alto desempenho como um concreto atenda uma combinação especial entre desempenho e requisitos de uniformidade que não pode ser atingida sempre rotineiramente com o uso de componentes convencionais e práticas normais de mistura, lançamento e cura [5]. A NBR 8953 [6] classifica os concretos estruturais como de alta resistência, os concretos com resistência de projeto de 55 MPa ou mais. Tem como característica baixa relação água/cimento (a/c), ou água/aglomerante (a/agl) abaixo de 0,40, e alta trabalhabilidade em termos de consistência do concreto devido à necessidade de uso de aditivo superplastificante. Em conseqüência, o consumo de cimento também é elevado, sendo acima de 400 kg/m 3 [1]. Entretanto, para se conseguir alta resistência mecânica é importante a escolha dos agregados que devem ser o mais resistente possível. Assim, para obtenção de um concreto de alto desempenho, por exemplo, de 100 MPa, exige-se [1]: Boletim Técnico da FATEC-SP - BT/ 28 pág. 42 a 47 Abril / 2010 42
a) Um agregado muito resistente, limpo, áspero e de forma cúbica; b) Um cimento de bom desempenho em termos de resistência mecânica e reologia; c) Um superplastificante compatível com o cimento selecionado; d) Adição de sílica ativa; e) Adição de aditivo plastificante e superplastificante. 4. Programa Experimental Para o desenvolvimento deste trabalho foram utilizados traços pouco usuais na construção civil, com substituição da areia natural por areia artificial. Para tal, foram realizados ensaios de caracterização física dos materiais e determinação das propriedades físicas e mecânicas das argamassas. Para análise do desempenho dos concretos foram verificadas as propriedades do concreto no estado fresco e endurecido. 4.1. Materiais constituintes 4.1.1. Aglomerantes O cimento utilizado foi o cimento Portland CP-V- ARI PLUS, fabricante HOLCIM, conforme NBR-5733 [7]. 4.1.2. Agregados A areia natural foi coletada na cidade de Caçapava na região do Vale do Paraíba SP e, a amostra de areia artificial de granito coletado em pedreira situada no bairro de Perus na cidade de São Paulo. O agregado graúdo utilizado foi a brita 1 de granito de mesma origem da areia artificial. Os agregados atenderam a especificação NBR 7211 [8]. 4.1.3. Aditivo superplastificante O aditivo superplastificante escolhido foi o de última geração, a base éter policarboxilato. No ensaio de saturação foi encontrado um teor econômico de 1,25% do aditivo para a/c de 0,45. As características físicas do aditivo podem ser observadas na Tabela I a seguir. Tabela I - Aditivo superplastificante Características Dados Aspecto do líquido viscoso Cor caramelo Massa específica (g/cm 3 ) [9] 1,07 ph [9] 4,4 Teor de sólidos[9] 31% 4.1.4. Aditivo plastificante Foi utilizado também um aditivo plastificante polifuncional de pega normal para melhorar a fluidez do concreto, junto com aditivo superplastificante. A dosagem do aditivo a ser adicionada à mistura está entre 0,2 a 1,0% da massa do cimento, conforme catálogo do fabricante. As características físicas do aditivo podem ser observadas na Tabela II a seguir. Tabela II - Aditivo superplastificante Características Dados Aspecto do líquido fluido Cor preta Massa específica (g/cm 3 ) 1,20 ph [9] 4,8 Teor de sólidos [9] 41,3% 5. Resultados obtidos A seguir são apresentados os resultados dos ensaios realizados nos concretos produzidos, no estado fresco e endurecido. A relação a/ agl (água/aglomerante total, cimento + sílica), foi calculada somando-se a água contida nos aditivos plastificantes, superplastificantes e a água adicionada à mistura. 5.1. Propriedades do concreto no estado fresco A consistência do concreto foi determinada pelo abatimento do tronco de cone conforme método NBR NM 67, [10]. As características dos traços são apresentadas na Tabela III, com areia artificial e Tabela IV com areia natural, a seguir. Boletim Técnico da FATEC-SP - BT/ 28 pág. 42 a 47 Abril / 2010 43
n o Tabela III - s de concretos com areia artificial Características Sílica ativa Materiais em traço unitário Agreg. miúdo Brita 1 Plastif. Superpl. Rel. a/agl (kg/kg) (mm) Cons. de (kg/m 3 ) 01 1,000 0,080 0,575 0,925 0,004 0,0200 0,260 90 851 02 1,000 0,080 0,890 1,110 0,004 0,0150 0,300 100 700 03 1,000 0,080 1,205 1,295 0,004 0,0125 0,350 100 591 04 1,000 0,080 1,520 1,480 0,004 0,0125 0,370 130 531 n o Tabela IV - s de concretos com areia natural Características Sílica ativa Materiais em traço unitário Agreg. miúdo Brita 1 Plastif. Superpl. Rel. a/agl (kg/kg) Abatimento Abatimento (mm) Cons. de (kg/m 3 ) 01A 1,000 0,080 0,575 0,925 0,004 0,0200 0,260 170 839 02A 1,000 0,080 0,890 1,110 0,004 0,0150 0,300 170 712 03A 1,000 0,080 1,205 1,295 0,004 0,0125 0,350 200 608 04A 1,000 0,080 1,520 1,480 0,004 0,0125 0,370 210 532 5.2. Propriedades do concreto no estado endurecido De cada traço foram moldados 12 (doze) corpos-de- prova. Os corpos-de-prova foram adensados em mesa vibratória. Com os corpos-de-prova foram realizados ensaios conforme indicados na Tabela V. Tabela V Ensaios e métodos de ensaios Ensaios Métodos de ensaio Idade de ensaio Determinação da resistência à compressão simples Determinação do módulo de elasticidade Determinação da resistência à tração por compressão diametral Determinação de absorção de água por imersão NBR 5739 [11] NBR 8522 [12] NBR 7222 [13] NBR 9778 [14] Quantidade total de corposde-provas por traço 3, 7 e 28 dias 06 28 dias 02 35 dias Mesmos corpos-de-prova do ensaio de absorção por capilaridade 28 dias 02 5.2.1. Determinação da resistência à compressão simples Foram realizados ensaios de determinação da resistência à compressão simples nas idades de 03, 07 e 28 dias. De cada traço foram ensaiados 02 corpos-deprova por idade. Os corpos-de-prova foram preparados para determinação da resistência à compressão simples com os topos retificados com coroa diamantada. Os resultados obtidos são apresentados nas Tabelas VI e VII dos concretos com areia artificial e areia natural, respectivamente. Tabela VI - Resultados de resistência à compressão simples do concreto com areia artificial Resistência à compressão simples - NBR 5739 [11] (MPa) 03 dias 07 dias 28 dias 01 02 03 04 69,7 66,5 60,4 60,1 57,8 56,9 50,3 51,2 68,1 60,3 57,4 50,8 75,6 74,5 69,5 68,1 63,9 62,7 60,5 60,1 75,1 68,8 63,3 60,3 85,1 94,3 79,2 80,1 77,0 75,9 72,9 71,8 89,7 79,7 76,5 72,4 Boletim Técnico da FATEC-SP - BT/ 28 pág. 42 a 47 Abril / 2010 44
Tabela VII - Resultados de resistência à compressão simples de concreto com areia natural Resistência à compressão simples NBR 5739 [11] (MPa) 3 dias 7 dias 28 dias 01 A 02 A 03 A 04 A 67,1 64,4 60,8 57,9 48,2 46,5 37,5 35,8 65,8 59,4 47,4 41,7 73,3 73,6 68,7 68,8 54,2 52,9 52,4 50,3 73,5 68,8 53,6 51,4 87,6 86,8 80,0 81,0 70,7 70,3 61,9 60,6 87,2 80,5 70,5 61,3 5.2.2. Determinação do módulo de elasticidade Foram realizados ensaios de determinação do módulo de elasticidade do concreto com 28 dias de idade. De cada traço foram ensaiados 02 corpos-deprova. Os resultados obtidos são apresentados nas Tabelas VIII, do concreto com areia artificial e IX do concreto com areia natural, a seguir. Tabela VIII - Resultados de módulo de elasticidade do concreto com areia artificial Módulo de elasticidade Concreto NBR 8522 [12] (GPa) com areia 28 dias 01 39,1/ 38,4 38,8 artificial 02 35,1/ 35,7 35,4 03 34,6/ 34,8 34,7 04 32,2/ 32,7 32,5 Tabela IX - Resultados de módulo de elasticidade do concreto com areia natural Módulo de elasticidade Concreto NBR 8522 [12] (GPa) com 28 dias 28 dias areia 01 A 37,6/ 37,9 37,8 natural 02 A 37,5/ 36,2 36,9 03 A 35,5/ 34,7 35,1 04 A 33,7/ 33,9 33,8 5.2.3. Determinação da resistência à tração por compressão diametral Foram realizados ensaios de determinação da resistência à tração por compressão diametral do concreto com 28 dias de idade. De cada traço foram ensaiados 02 corpos-de-prova. Os resultados obtidos são apresentados nas Tabelas X, do concreto com areia artificial, e XI do concreto com areia natural, a seguir. Tabela X - Resultados de resistência à tração por Resistência à tração por compressão diametral - NBR Concreto 7222 [13] (MPa) com areia 28 dias artificial 01 5,3/ 5,0 5,2 02 4,6/ 4,7 4,7 03 4,6/ 4,5 4,6 04 4,0/ 4,2 4,1 compressão diametral do concreto com areia artificial Tabela XI - Resultados de resistência à tração por Concreto com Resistência à tração por compressão diametral - NBR 7222 [13] (MPa) 28 dias areia natural 01A 5,3/ 5,2 5,3 02A 4,8/ 4,7 4,8 03A 4,6/ 4,5 4,6 04A 4,2/ 4,4 4,3 compressão diametral do concreto com areia natural 5.2.4. Determinação da absorção de água por imersão e fervura, índice de vazios e massa específica Foram realizados ensaios de determinação de absorção de água por imersão e fervura, índice de vazios e de massa específica na idade de 28 dias. De cada traço foram realizados ensaios em 02 corpos-de-prova. Os resultados obtidos são apresentados nas Tabelas XII e XIII dos concretos com areia artificial e areia natural, respectivamente. Boletim Técnico da FATEC-SP - BT/ 28 pág. 42 a 47 Abril / 2010 45
Tabela XII - Resultados de absorção de água por imersão e fervura, índice de vazios e massa específica Concreto com areia artificial Absorção de água por imersão e fervura, índice de vazios e massa específica NBR 9778 [14] 01 02 03 04 Absorção (%) Indice de Vazios (%) Seca Massa específica (g/cm 3 ) Após saturação e fervura 2,72 2,75 2,87 2,72 3,03 3,01 3,07 3,09 2,74 2,80 3,02 3,08 6,35 6,42 6,81 6,40 6,99 6,95 7,13 7,18 6,39 6,61 6,97 7,16 2,329 2,330 2,371 2,354 2,309 2,310 2,324 2,326 Tabela XIII - Resultados de absorção de água por imersão e fervura, índice de vazios e massa específica Concreto com areia natural 2,330 2,363 2,310 2,325 2,393 2,394 2,439 2,418 2,379 2,380 2,395 2,398 2,394 2,429 2,380 2,397 2,487 2,490 2,544 2,515 2,482 2,483 2,502 2,506 Real 2,489 2,530 2,483 2,504 01 A 02 A 03 A 04 A Absorção (%) Absorção de água por imersão e fervura, índice de vazios e massa específica NBR 9778 [14] Indice de Vazios (%) Seca Massa específica (g/cm 3 ) Após saturação e fervura 3,01 2,99 3,39 3,44 3,51 3,47 3,78 3,87 3,00 3,42 3,49 3,84 7,04 7,06 8,03 7,99 8,15 8,08 8,81 8,91 7,05 8,01 8,12 8,86 2,355 2,353 2,322 2,318 2,329 3,327 2,310 2,303 2,354 2,320 2,328 2,307 2,411 2,423 2,406 2,398 2,403 2,408 2,398 2,392 2,416 2,402 2,406 2,395 2,525 2,531 2,524 2,519 2,512 2,531 2,518 2,528 Real 2,528 2,521 2,522 2,523 6. Análise dos resultados 6.1. Concreto no estado fresco Os valores de massas específicas dos concretos de alto desempenho obtidos estão dentro dos parâmetros normais dos concretos convencionais normalmente utilizados, apresentam valores entre 2,300 e 2,500 kg/dm 3. A adição de sílica ativa não modificou os valores de massa específica dos concretos. Quanto ao abatimento do concreto pode-se observar que com troca do agregado miúdo, de areia artificial para areia natural, e mantidos os demais materiais e traços, houve um aumento do abatimento do concreto com areia natural devido a uma menor porcentagem de materiais finos e, em conseqüência, fazendo com que a mistura tenha mais água sobrando. Isso significa que a areia artificial apresenta uma superfície específica maior em relação à areia natural e assim, demanda uma quantidade maior de água para umedecer todos os grãos, para uma mesma quantidade de material. 6.2. Concreto no estado endurecido 6.2.1. Resistência à compressão simples Conforme a NBR 8953 [6] é considerado concreto de alta resistência os concretos de resistência à compressão simples igual ou maior que 60 MPa. Desta forma, todos os concreto apresentaram resistência à compressão simples maior que 60 MPa. Os resultados de 28 dias indicam que os concretos dos traços 1 e 2 com areia artificial e traços 1A e 2A com areia natural apresentam resistências semelhantes. Já os traços 3 e 4 com areia artificial apresentam resistências ligeiramente maiores em relação aos traços 3A e 4A com areia natural, indicando a influência dos finos da areia artificial no adensamento do pacote granulométrico. 6.2.2. Módulo de elasticidade Os resultados obtidos de módulo de elasticidade não apresentaram diferenças significativas entre elas. Boletim Técnico da FATEC-SP - BT/ 28 pág. 42 a 47 Abril / 2010 46
6.2.3. Resistência à tração por compressão diametral Os resultados obtidos de resistência à tração por compressão diametral não apresentam diferenças significativas entre os concretos produzidos com areia artificial e natural. 6.2.4. Determinação da absorção de água por imersão e fervura Os resultados de absorção de água por imersão e fervura e de índice de vazios obtidos com concretos produzidos com areia artificial indicam valores menores em relação aos concretos produzidos com areia natural, confirmando os resultados obtidos no ensaio de absorção por capilaridade. Assim, o concreto produzido com areia artificial apresenta melhor desempenho de durabilidade em relação ao concreto com areia natural. Em tecnologia de concreto considera-se que um concreto com absorção menor que 6% é de grande durabilidade, sendo este um valor especificado por órgãos públicos para obras de concreto armado. 7. Conclusão Os resultados obtidos indicam que é viável a utilização da areia artificial na produção de concreto de alto desempenho. Entretanto, os concretos com areia natural podem ser otimizados, visto que apresentaram um abatimento maior em relação aos concretos com areia artificial, isto é, diminuindo-se a relação a/agl obtém-se resultados maiores de resistência mecânica ou para a mesma resistência mecânica pode-se produzir concretos com menor consumo de cimento. Para que a areia artificial tenha o mesmo desempenho econômico com diminuição do consumo de cimento é necessário um tratamento para diminuir o teor de finos na sua composição granulométrica. Isto pode encarecer o seu custo, tirando a vantagem econômica em relação à areia natural. Agradecimentos À Holcim pela doação de cimento CP V ARI PLUS. À MC Bauchemie Brasil pela doação dos aditivos superplastificante e plastificante. À Profª Mara Fátima do Prado Rocha e aos estagiários Anderson de Sousa Ferreira e Gabriela Freire Trombetta pela colaboração. Referências Bibliográficas [1] Aïtcin, P. C. Concreto de alto desempenho. São Paulo: Editora Pini, 2000. 667 p. [2] Cuchierato G. Caracterização tecnológica de resíduo da mineração de agregados da região metropolitana de São Paulo (RMSP), visando seu aproveitamento econômico. 2000. Dissertação (Mestrado em Geociêcias) Programa de Pós- Graduação do Instituto de Geociências, USP, São Paulo. [3] Ishikawa, P. H., Propriedades de argamassas de assentamento produzidas com areia artificial para alvenaria estrutural. Campinas- SP, 2003 158 p. Dissertação (Mestrado) Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo Universidade Estadual de Campinas. [4] Gonçalves et al, Produção de areia de brita com qualidade. Areia & Brita, n. 10, p. 20-25, abr/jun. 2000. [5] Mehta, P. K. e Monteiro, P. J. M. Concreto: Estrutura, Propriedades e Materiais. São Paulo: Editora Pini, 2008. [6] Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 8953: Concreto para fins estruturais. Classificação por grupos de resistência - Classificação. Rio de Janeiro, ABNT, 1992a. 2 p. [7] Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 5733: Portland de alta resistência inicial Especificação. Rio de Janeiro, ABNT, 1991b. 5 p. [8] Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 7211, Agregados para concreto - Especificação. Rio de Janeiro, 2005a. 11p. [9] Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 11768: Aditivos para concreto de cimento Portland. Rio de Janeiro, ABNT, 1992b. 4 p. [10] Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR NM 67: Concreto. Determinação da consistência pelo abatimento do tronco de cone. Rio de Janeiro, ABNT, 1998. 8 p. [11] Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 5739: Concreto Ensaio de compressão de corpos-de-prova cilíndricos Método de ensaio. Rio de Janeiro, ABNT, 1994. 4 p. [12] Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 8522: Concreto Determinação dos módulos estáticos e de elasticidade e de deformação e curva tensão deformação. Método de ensaio. Rio de Janeiro, ABNT, 2003a. 3 p. [13] Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 7222: Argamassa e concreto. Determinação da resistência à tração por compressão diametral de corpos-de-prova cilíndricos. Método de ensaio. Rio de Janeiro, ABNT, 1994a. 3 p. [14] Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 9778: Argamassa e concreto endurecidos. Determinação da absorção de água por imersão. Índice de vazios e massa específica. Método de ensaio. Rio de Janeiro, 2005a. 11p. Boletim Técnico da FATEC-SP - BT/ 28 pág. 42 a 47 Abril / 2010 47