CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO COM METACAULINITA GUILHERME CHAGAS CORDEIRO UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE FLUMINENSE UENF

CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO COM METACAULINITA GUILHERME CHAGAS CORDEIRO UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE FLUMINENSE UENF CAMPOS DOS GOYTACAZES RJ AGOSTO 2001

CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO COM METACAULINITA GUILHERME CHAGAS CORDEIRO Dissertação de Mestrado apresentada ao Centro de Ciência e Tecnologia, da Universidade Estadual do Norte Fluminense, como parte das exigências para obtenção de título de Mestre em Ciências de Engenharia. Orientador: Jean Marie Désir CAMPOS DOS GOYTACAZES RJ AGOSTO 2001

Ficha catalográfica feita na Biblioteca do CCT/UENF Cordeiro, Guilherme Chagas. Concreto de alto desempenho com metacaulinita. / Guilherme Chagas Cordeiro. Campos dos Goytacazes, RJ, 2001. xiii, 123 f., enc.: 30 cm. Dissertação (mestrado) M. Sc. em Ciências de Engenharia. Universidade Estadual do Norte Fluminense. Centro de Ciência e Tecnologia. Laboratório de Engenharia Civil, 2001. Bibliografia: f. 108-123. 1. Concreto de alto desempenho. 2. Metacaulinita. 3. Aditivo mineral I. Título. CDD 624.1834

CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO COM METACAULINITA GUILHERME CHAGAS CORDEIRO Dissertação de Mestrado apresentada ao Centro de Ciência e Tecnologia, da Universidade Estadual do Norte Fluminense, como parte das exigências para obtenção de título de Mestre em Ciências de Engenharia. Aprovada em 10 de Agosto de 2001. Comissão Examinadora: Prof. Romildo Tolêdo Dias Filho (D.Sc.) UFRJ/COPPE Prof. Fernando Saboya Albuquerque Júnior (D.Sc.) UENF Prof. Jonas Alexandre (D.Sc.) UENF Prof. Jean Marie Désir (D.Sc.) UENF Orientador

Esta dissertação é dedicada a Antonio José de Almeida Cordeiro

AGRADECIMENTOS Tenho muito a agradecer a todos que direta ou indiretamente contribuíram para a realização deste trabalho. À Fenorte pelo indispensável apoio financeiro concedido. Ao professor, orientador e amigo Jean Marie pela confiança e apoio sempre presentes e dedicação durante a elaboração desta dissertação. Aos amigos de turma Fábio, Franco, Gustavo, Marcos, Niander e Pedro Paulo. À querida amiga Ane, que sempre esteve presente e disposta a ajudar. Aos professores, técnicos, funcionários e alunos do Laboratório de Engenharia Civil da UENF que de alguma forma contribuíram para a concretização desta pesquisa. Aos professores Thibeut (CCTA/UENF) e Helena (IGEO/UFRJ), pelos ótimos cursos de estatística experimental e mineralogia das argilas, respectivamente. À funcionária da biblioteca da ABCP/SP, Rosemary Pinto, pelo apoio e tratamento sempre gentil. Ao técnico Flávio Munhoz (ABCP/SP) pela importante ajuda nos ensaios de análise em granulômetro a laser e de finura. À professora Sílvia Regina Vieira, da ABCP/SP, pela demonstração de interesse pelo trabalho e presteza com que esclareceu dúvidas, que muito contribuíram para a elaboração deste trabalho.

À querida Roberta pela disponibilidade em ajudar, pelo carinho, apoio e incentivo irrestritos; por sua leitura crítica e discussões que foram muito importantes para a conclusão desta dissertação. Aos amigos e familiares, em especial à minha mãe, minha avó, Sheila, Everaldo e tio Paulo Roberto, pelo apoio e carinho durante toda a minha vida acadêmica

i SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS RESUMO ABSTRACT iv viii x xii xiii 1. INTRODUÇÃO 1 2. CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO 4 2.1. APLICAÇÃO 6 2.2. MATERIAIS CONSTITUINTES 7 2.2.1. Cimento Portland 7 2.2.2. Agregado Miúdo 13 2.2.3. Agregado Graúdo 15 2.2.4. Aditivos Químicos 19 2.2.4.1. Aditivos Superplastificantes 20 2.2.5. Água 25 2.3. DOSAGEM DE CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO 25 2.4. PROCESSANDO O CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO 28 2.4.1. Mistura 28 2.4.2. Transporte 28

ii 2.4.3. Lançamento 29 2.4.4. Adensamento 29 2.4.5. Cura 30 2.4.6. Controle de Qualidade 31 3. ADITIVOS MINERAIS 34 3.1. ARGILA CALCINADA 39 3.1.1. Metacaulinita 42 3.2. SÍLICA ATIVA 47 4. PROGRAMA EXPERIMENTAL 51 4.1. DEFINIÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA 52 4.2. PRODUÇÃO DA METACAULINITA 54 4.3. CARACTERIZAÇÃO DA METACAULINITA 59 4.4. CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS EMPREGADOS 61 4.4.1. Cimento Portland 62 4.4.2. Agregados 63 4.4.3. Sílica Ativa 66 4.4.4. Aditivo Superplastificante 67 4.4.5. Água 68 4.5. ENSAIO DE COMPATIBILIDADE ENTRE CIMENTO E SUPERPLASTIFICANTE 68 4.6. ENSAIO DE ÍNDICE DE ATIVIDADE POZOLÂNICA 70 4.7. ENSAIOS EM ARGAMASSA 73 4.8. ENSAIOS EM CONCRETO 75 4.8.1. Dosagem de concreto de alto desempenho 75

iii 4.8.2. Processamento do concreto 77 5. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS 80 5.1 COMPATIBILIDADE ENTRE O CIMENTO E O SUPERPLASTIFICANTE 80 5.2. ÍNDICE DE ATIVIDADE POZOLÂNICA 83 5.3. ARGAMASSAS 87 5.4. CONCRETOS DE ALTO DESEMPENHO 89 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS 94 6.1. CONCLUSÕES 94 6.2. SUGESTÕES DE FUTURAS PESQUISAS 95 ANEXO A Aditivos Minerais 97 ANEXO B Dosagem do Concreto 103 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 108

iv LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 Localização do Município de Campos dos Goytacazes. 2 Figura 2.1 Figura 2.2 Figura 2.3 Figura 2.4 Figura 2.5 Evolução da hidratação dos compostos do cimento Portland, em estado puro (Neville, 1997). 10 Curvas de resistência à compressão de pastas puras obtidas com os principais compostos do cimento Portland (Zampieri, 1989). 10 Evolução média da resistência à compressão dos distintos tipos de cimento Portland. 12 Influência da lavagem dos agregados na resistência à compressão do concreto (Almeida, 1994). 18 Eficiência da dosagem ótima de superplastificante variando a relação água/cimento (Chan et al., 1996). 23 Figura 2.6 Efeito do momento de colocação do aditivo superplastificante a base de naftaleno no abatimento do concreto (Collepardi apud Dal Molin, 1995). 24 Figura 2.7 Exemplos de resultados do ensaio de miniabatimento (Aïtcin, 1998). 25 Figura 2.8 Fatores básicos para dosagem de concreto (Neville, 1997). 26 Figura 3.1 Figura 3.2 Figura 3.3 Efeito do teor de pozolana na taxa de calor de hidratação (Massazza e Costa, 1979). 37 Controle da expansão álcali-agregado pelo uso de pozolana no concreto (Mehta, 1981). 38 Resistência à compressão aos 28 dias de argamassas contendo diferentes argilas calcinadas como adições ativas (He et al., 1995 a). Os valores indicados sobre as barras correspondem às temperaturas ótimas de queima, em graus centígrados, para cada argilomineral. 41

v Figura 3.4 Resistência à compressão de argamassas contendo metacaulim e sílica ativa (Curcio et al., 1998). 44 Figura 3.5 Figura 3.6 Figura 3.7 Figura 3.8 Figura 3.9 Evolução do hidróxido de cálcio com o tempo de hidratação (Frías e Cabrera, 2000). 45 Evolução da expansão de prismas de concreto contendo metacaulim (Ramlochan, 2000). 46 Resistência à compressão de concretos com metacaulinita (Wild et al., 1996 a). 47 Representação esquemática de partículas de cimento Portland numa pasta sem aditivos (a), com aditivo superplastificante (b) e com aditivo superplastificante e sílica ativa (c) Amaral (1988); Aïtcin (1998). 48 Redução da porosidade do concreto com e sem substituição de 10% de cimento Portland por sílica ativa, com o tempo (Hassan et al., 2000). 49 Figura 3.10 Taxa de exsudação de concretos com e sem sílica ativa (Bilodeau apud Dal Molin, 1995). 50 Figura 4.1 Jazidas argilosas das amostras 1 (a) e 2 (b). 52 Figura 4.2 Difratograma de raios-x da amostra 1. 53 Figura 4.3 Difratograma de raios-x da amostra 2. 53 Figura 4.4 Curvas granulométricas das amostras de solos argilosos. 54 Figura 4.5 Figura 4.6 Fluxograma de produção da metacaulinita (adaptado de Andriolo, 1999). 55 Moinho de bolas utilizado no processo de moagem das amostras. 55 Figura 4.7 Forno tipo Mufla utilizado para a queima das amostras. 56 Figura 4.8 Análise térmica e diferencial das argilas cauliníticas. 57 Figura 4.9 Análise térmica diferencial da metacaulinita queimada à 650 o C. 57 Figura 4.10 Difratogramas de raios-x da amostra 2 nas temperaturas de queima de 110 o C, 450 o C e 550 o C. 58 Figura 4.11 Distribuição granulométrica da metacaulinita. 60

vi Figura 4.12 Duas fotografias (a e b) da metacaulinita. 60 Figura 4.13 Representação esquemática dos locais de coleta dos materiais naturais. 62 Figura 4.14 Coleta de amostras de granito para caracterização física e mineralógica; aspecto da jazida. 64 Figura 4.15 Corpo-de-prova NX de granito antes (a) e após ruptura (b) por compressão simples. 65 Figura 4.16 Difratograma de raios-x da sílica ativa. 67 Figura 4.17 Materiais empregados no ensaio de miniabatimento (a); Espalhamento da pasta após o ensaio (b). 69 Figura 4.18 Medida da consistência de argamassa conforme NBR 7215 (1996). Amostra após socamento (a) e no fim do ensaio (b). 72 Figura 4.19 Moldagem de corpo-de-prova de argamassa (a), (b) e (c). 74 Figura 4.20 Corpos-de-prova de argamassa contendo 10% de metacaulinita. 75 Figura 4.21 Ensaio de resistência à compressão. Capeamento de corpode-prova (a) e corpo-de-prova na prensa de ensaio (b). 78 Figura 4.22 Aspecto dos corpos-de-prova após o ensaio de resistência à compressão. Amostra com 15% de metacaulinita rompida aos 91 dias (a); amostra com 10% de sílica ativa rompida aos 28 dias (b). 79 Figura 5.1 Resultados dos ensaios de compatibilidade. 81 Figura 5.2 Figura 5.3 Figura 5.4 Figura 5.5 Decantação do cimento Portland em água (provetas à direita) e cimento Portland em água com superplastificante (provetas à esquerda) após: 30 segundos da mistura (a); após 1 minuto (b); após 5 minutos (c); e após 15 minutos (d). 82 Decantação do cimento Portland em água (proveta à direita) e cimento Portland em água com superplastificante (proveta à esquerda) após 24 horas (a); detalhe do volume das partículas decantadas (b). 83 Índices de atividade pozolânica com cimento Portland dos aditivos minerais produzidos a partir das amostras 1 e 2. 84 Índices de atividade pozolânica com cimento Portland da metacaulinita (material que passa na peneira de malha 250 µm). 85

vii Figura 5.6 Índices de atividade pozolânica com cimento Portland da metacaulinita (material que passa na peneira de malha 75 µm). 86 Figura 5.7 Resistência à compressão de argamassas contendo metacaulinita. 88 Figura 5.8 Resistência à compressão de concretos de alto desempenho. 90 Figura 5.9 Relação entre o teor de metacaulinita e a resistência média à compressão para diferentes idades. 91 Figura 5.10 Corpo-de-prova contendo 10% de metacaulinita após ensaio de resistência à compressão, aos 28 dias (a); Detalhe da superfície de ruptura atravessando totalmente os agregados (b). 92 Figura 5.11 Curvas tensão-deformação para o concreto com metacaulinita (15%) aos 120 dias. 93 Figura 5.12 Curvas tensão-deformação para o concreto com sílica ativa (10%) aos 120 dias. 93 Figura A.1 Figura A.2 Figura A.3 Figura B.1 Resistência à compressão de argamassas com cinzas volantes com vários diâmetros médios de partículas (Massazza, 1993). 99 Evolução da resistência à compressão do concreto com vários teores de escória de alo forno em massa do total de material cimentício (Hogan e Meusel, 1981). 101 Desenvolvimento da resistência à compressão de concretos com diferentes teores de cinza de casca de arroz em substituição ao cimento (Zhang e Malhotra, 1996). 102 Porcentagem de vazios para as misturas de areia e brita, conforme NBR 7810 (1983). 105

viii LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 Compostos principais do cimento Portland (Neville, 1997). 9 Tabela 2.2 Classificação dos cimentos Portland comercializados no Brasil, segundo a ABNT. 11 Tabela 2.3 Limites granulométricos do agregado miúdo (NBR 7211, 1983). 13 Tabela 2.4 Limites granulométricos do agregado graúdo (NBR 7211, 1983). 15 Tabela 2.5 Classificação dos aditivos químicos segundo a NBR 11768 (EB-1763/1992). 19 Tabela 3.1 Classificação dos aditivos minerais conforme a NBR 12653 (1992). 35 Tabela 3.2 Tabela 4.1 Dados gerais de barragens construídas no Brasil (Saad et al., 1983 b). 42 Distribuição granulométrica da metacaulinita queimada a 650 o C e peneirada na malha 75 µm. 60 Tabela 4.2 Dimensões características da metacaulinita. 60 Tabela 4.3 Análise química da matéria-prima e da metacaulinita. 61 Tabela 4.4 Características dos cimentos Portland CP II E 32 utilizados. 63 Tabela 4.5 Composição mineralógica do granito. 64 Tabela 4.6 Tabela 4.7 Características físicas e mecânicas do agregado graúdo. Características físicas e granulométricas do agregado miúdo. 65 66 Tabela 4.8 Características da sílica ativa. 67

ix Tabela 4.9 Características do aditivo superplastificante. 68 Tabela 4.10 Dosagem de material para as pastas dos ensaios de miniabatimento. 70 Tabela 4.11 Dosagem de material para argamassas. 72 Tabela 4.12 Dosagem de material para argamassas. 73 Tabela 4.13 Composição dos concretos. 77 Tabela 4.14 Ordem de colocação dos materiais na betoneira. 77 Tabela 5.1 Tabela 5.2 Tabela 5.3 Tabela 5.4 Resultados dos ensaios de compatibilidade cimentosuperplastificante. 80 Valores médios de resistência à compressão e índice de atividade pozolânica com cimento Portland. 84 Valores médios de resistência à compressão e índice de atividade pozolânica com cimento Portland. 85 Resistência à compressão das argamassas com relação água/aglomerante de 0,52. 87 Tabela 5.5 Resistência à compressão dos concretos. 89 Tabela B.1 Materiais constituintes do concreto de teste. 106 Tabela B.2 Proporcionamento dos materiais do concreto de referência. 107 Tabela B.3 Proporcionamento dos materiais dos concretos com aditivos 107

x LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS A a/c ABCP ABNT ACI ASTM BT CAD CAR CCA Coeficiente, usado na dosagem, que expressa a qualidade da brita Relação água/cimento, em massa Associação Brasileira de Cimento Portland Associação Brasileira e Normas Técnicas American Concrete Institute American Society for Testing and Materials Boletim técnico Concreto de alto desempenho Concreto de alta resistência Cinza de casca de arroz CH Hidróxido de cálcio (Ca(OH) 2 ) CP C-S-H C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF D max f cm3 f cm7 Cimento Portland Silicato de cálcio hidratado Silicato tricálcico Silicato dicálcico Aluminato tricálcico Ferroaluminato tetracálcico Diâmetro máximo Resistência média à compressão do concreto aos 3 dias de idade Resistência média à compressão do concreto aos 7 dias de idade

xi f cm28 f cm91 f ccm28 f cd28 f ck IPT ISRM JCPDS m a m b m m m um MT MTC NBR NM PV PA PB R 2 SA SP STG T mtc Resistência média à compressão do concreto aos 28 dias de idade Resistência média à compressão do concreto aos 91 dias de idade Resistência média à compressão do cimento aos 28 dias de idade Resistência desejada do concreto à compressão especificada aos 28 dias de idade Resistência característica do concreto à compressão especificada no projeto estrutural Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S.A. International Society for Rock Mechanics Joint Committe on Powder Diffraction Standards Massa específica da areia Massa específica da brita Massa específica da mistura de agregados Massa unitária compactada da mistura de agregados Manual técnico Metacaulinita Norma Brasileira Registrada Norma Mercosul Percentual de vazios numa mistura de agregados Percentual de areia na mistura de agregados Percentual de brita na mistura de agregados Coeficiente de determinação da regressão linear Sílica ativa Aditivo superplastificante Sistema de Testes Geomecânicos Teor de metacaulinita

xii CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO COM METACAULINITA Guilherme Chagas Cordeiro RESUMO A substituição parcial de cimento Portland por materiais pozolânicos permite obter concretos e argamassas com propriedades diferenciadas, superiores em alguns aspectos aos produtos sem adição. Vários são os materiais utilizados para este fim, dentre os quais destacam-se a sílica ativa, a cinza volante e as argilas calcinadas. Atualmente no Brasil a sílica ativa é muito utilizada. Infelizmente, nem sempre este produto é acessível, quer seja pelo preço, quer seja pela disponibilidade. Neste trabalho procurou-se caracterizar uma pozolana produzida a partir da ativação térmica de uma argila caulinítica extraída da planície aluvial do Rio Paraíba do Sul, no Município de Campos dos Goytacazes/RJ. Após processos de moagem, queima e peneiramento, a argila desenvolve propriedades pozolânicas, associadas à formação da metacaulinita (material de elevada desordem estrutural). Um programa experimental foi implementado para a comparação entre produtos com e sem adição mineral, constituído de duas etapas: caracterização e produção da metacaulinita; e confecção e ensaios em corpos-de-prova de concretos e argamassas. A fim de validar o potencial da argila como matéria-prima para a produção de metacaulinita foram investigadas as seguintes propriedades: temperatura ótima de queima; índice de atividade pozolânica; compatibilidade cimento-superplastificante; e resistência à compressão de concretos e argamassas. Os resultados estão condizentes com a literatura, revelando incrementos de resistência em concretos e argamassas com metacaulinita. Palavras-chave: concreto de alto desempenho, metacaulinita, aditivo mineral.

xiii HIGH-PERFORMANCE CONCRETE CONTAINIG METAKAOLINITE Guilherme Chagas Cordeiro ABSTRACT The partial replacement of Portland cement by pozzolanic materials allows to obtain concrete and mortars with superiors properties, in some aspects to the products without addition. There are many materials used to achieve this goal, such as silica fume, fly ash and calcined clays. Nowadays, the silica fume have being used a lot in Brazil. Unfortunately, due to price and availability this product is not oftenly accessible. In this work the pozzolan was characterized and produced of thermal activation of an alluvial s plain kaolinite clay from Paraíba do Sul River, in Campos dos Goytacazes City. After grinding, firing and sieving processes, pozzolanic properties are developed, due to metakaolinite formation, which is a material with high structural disorder. An experimental program was executed to promote a comparasion between products with and without mineral addition, constituted for two stages: metakaolinite production; and making of concretes and mortars samples. In order to validate the clay s potential as a raw material for the metakaolinite production the following properties were investigated: ideal burning temperature; pozzolanic activity s index; cement-superplasticizer compatibility; and concretes and mortars compressive strain. The increases in concretes and mortars resistances with metakaolinite finding are according to literature. Keywords: high-performance concrete, metakaolinite, mineral admixture.

1 1. INTRODUÇÃO Atualmente, poucos materiais têm uso tão difundido na engenharia quanto o concreto de cimento Portland. Devido às suas excepcionais qualidades, o concreto possibilitou ao homem moderno mudanças expressivas, tanto na arquitetura quanto na engenharia, além de seu próprio modo de vida. Os resultados são novos desafios à pesquisa do concreto, particularmente o que diz respeito ao concreto de alto desempenho, um material com melhores índices de resistência e durabilidade, alcançadas a partir de adições químicas e minerais. O Município de Campos dos Goytacazes, que possui uma população residente estimada de 371.252 habitantes, destaca-se na Região Norte do Estado do Rio de Janeiro por sua extensão territorial, ocupando uma área de 4040,4 km 2 (CIDE, 2000), conforme Figura 1.1. Cerca de 52% de todo o território municipal é composto por espessos pacotes argilosos provenientes da migração do leito do Rio Paraíba do Sul (Ramalho et al., 2001), explorados, em parte, como matériaprima para cerâmica vermelha. Diante deste contexto ambiental e da crescente demanda de aditivos minerais para o concreto, iniciou-se um estudo para o aproveitamento destes solos argilosos para a produção de uma pozolana, a metacaulinita. A metacaulinita é um aluminossilicato de estrutura desordenada, resultante da ativação térmica de uma argila caulinítica finamente moída. Este material, apesar de não possuir, por si só, propriedades aglomerantes e hidráulicas, contém constituintes que a temperaturas ordinárias reagem, em presença de água, com o hidróxido de cálcio originando novos compostos hidratados com propriedades cimentícias e insolúveis em água.

2 Desta forma, o objetivo maior da pesquisa concentra-se na possibilidade de uso e aplicação dos solos argilosos do município para a produção de um aditivo mineral para concretos e argamassas de alto desempenho. Espírito Santo Metros 20.000 Município de Campos dos Goytacazes Oceano Atlântico Lagoa de Cima Rio Paraíba Campos dos Goytacazes do Sul Lagoa Feia Área: 4038 km 2 Localização: 41 o 30 W 21 o 45 S RIO DE JANEIRO Figura 1.1 Localização do Município de Campos dos Goytacazes. Destacam-se ainda os seguintes objetivos específicos: Apresentar as características de materiais argilosos da região e propor alguns critérios de utilização visando-se a viabilidade de obtenção de concretos com resistência à compressão acima de 50 MPa, aos 28 dias;

3 Caracterizar física, química e mineralogicamente a metacaulinita, e verificar seu desempenho em diversos teores de substituição parcial do cimento Portland em concretos e argamassas; Verificar a influência da temperatura de queima e teor de material fino, presente na argila a ser calcinada, na atividade pozolânica da metacaulinita, determinando a temperatura ótima de queima para este aditivo. A presente dissertação está estruturada em sete Capítulos. O Capítulo 1 compreende a introdução do trabalho de pesquisa, onde é justificada sua importância e seus objetivos. No Capítulo 2 é apresentada a revisão bibliográfica referente ao concreto de alto desempenho, considerando aspectos de sua aplicação, materiais constituintes e procedimentos de produção. Também são discutidas, neste Capítulo, características de dosagem de concreto de alto desempenho. O Capítulo 3 apresenta a revisão bibliográfica sobre os principais aditivos minerais utilizados em concretos e argamassas de alto desempenho, analisando suas características e as conseqüências de suas utilizações. Este Capítulo, longe de apresentar um caráter de manual científico, aborda de forma sucinta aspectos intrínsecos destes materiais, o que, por vezes, se torna repetitivo, sendo, entretanto, de extrema relevância para o tema em questão. Inúmeros exemplos são citados de forma resumida ilustrando pesquisas sobre o tema. Já no Capítulo 4, o programa experimental é descrito através do detalhamento dos ensaios realizados e da caracterização dos materiais empregados. No Capítulo 5 é apresentada a análise dos resultados obtidos no programa experimental. Neste Capítulo relata-se a caracterização da metacaulinita utilizada em concretos e argamassas. O sexto e último Capítulo compreende as conclusões do trabalho assim como algumas sugestões para futuros trabalhos neste amplo campo de pesquisa que constitui o concreto de alto desempenho.

4 2. CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO O concreto de alto desempenho é uma evolução dos concretos produzidos ao longo dos anos. Um maior controle na seleção dos materiais e nas etapas de dosagem, mistura, adensamento, transporte e cura, aliado ao uso preciso de aditivos químicos e minerais, permite a produção concreto com propriedades melhoradas. O concreto de alta resistência, como era denominado nos anos 70, hoje é definido não somente em função de sua resistência superior, mas principalmente destaca-se uma menor permeabilidade, maior resistência ao desgaste e abrasão, enfim, maior durabilidade. De acordo com Mehta (1996), a busca por um concreto com maior durabilidade está presente em cerca de 75% das obras em concreto de alta resistência. O Americam Concrete Institute, através do Comitê 201 (1994), define a durabilidade de um concreto como sua habilidade para resistir às ações atmosféricas, ataques químicos, abrasão e outros processos de deteriorização. As ações atmosféricas referem-se aos efeitos ambientais, tais como exposição a ciclos de molhagem secagem e congelamento e descongelamento. Os processos de deteriorização química incluem ataques de substâncias ácidas e reações de expansão, tais como reações de sulfatos, reações álcali-agregados e corrosão de armaduras de aço no concreto. Deve-se enfatizar que, para adquirir baixos valores de permeabilidade, é necessária uma mistura densa acarretando uma maior resistência. Ou seja, estas duas características encontram-se intimamente ligadas. Neville (1997) destaca que o concreto de alto desempenho não é somente um concreto com

5 altas resistências à compressão, mas que também possui alto módulo de elasticidade, alta densidade, baixa permeabilidade e resistência aos ataques do meio externo. Mehta e Aïtcin (1990) definem o concreto de alto desempenho como um material que possui alta rigidez e estabilidade dimensional e, principalmente, baixa permeabilidade. O uso de diversas terminologias para designar o mesmo material, tais como, concreto de alto desempenho (CAD), concreto de alta resistência (CAR), ou até mesmo concreto de alta eficiência, tem suscitado a interpretações controvertidas quanto ao verdadeiro potencial do material, que varia geograficamente e ao longo do tempo. Segundo Gjorv (1992), na década de 50, concretos com resistência à compressão de 35 MPa eram considerados concretos de alta resistência nos Estados Unidos. Nas décadas de 60 e 70 concretos com 50 MPa e 70 MPa, respectivamente, estavam sendo utilizados comercialmente. Atualmente, concretos com 90 MPa, 100 MPa e até 120 MPa entraram no campo da construção de edifícios altos, plataformas de petróleo e pontes, cujas resistências foram definidas com bases sólidas e garantidas com técnicas rotineiras (Aïtcin e Neville, 1993). O American Concrete Institute estabelece, no ACI 363 (1991), o valor de 41 MPa (6000 psi), como limite inferior para concretos de alta resistência, pois a prática de dimensionamento de estruturas está fundamentada em experimentos realizados em concretos com resistência à compressão inferior a 41 MPa. Ainda hoje, de um modo geral, a produção de concretos no município de Campos dos Goytacazes baseia-se em projetos calculados para uma resistência característica aos 28 dias inferior a 25 MPa. Sendo assim, é possível classificar concretos com resistência à compressão superior a 40 MPa, como concretos de alta resistência. 2.1. APLICAÇÃO

6 A alta resistência à compressão e o alto módulo de elasticidade já nas idades iniciais, baixa segregação, ausência de exsudação são algumas das características que justificam a crescente utilização do concreto de alto desempenho. A partir de 1950 pesquisas e obras difundiram-se por todo o mundo, com aplicações nos diversos tipos de estruturas. Inúmeros prédios, pontes, pavimentos, elementos pré-fabricados, obras marítimas, dentre outros, têm sido construídos com concreto de alto desempenho. Um estudo realizado por Dal Molin e Wolf (1990) indica uma redução de cerca de 12% do custo de um edifício de 15 andares, ao se empregar concreto de alta resistência (f ck = 60 MPa) no lugar de um concreto convencional (f ck = 21 MPa). Foram considerados os consumos de concreto, armaduras e formas, além de gastos com a mão de obra. Outros fatores como desformas mais rápidas, ganho de área útil em virtude das menores seções das peças estruturais e possibilidade de confecção de elementos mais leves e esbeltos, podem elevar este valor de economia, justificando ainda mais seu emprego. Outra vantagem é a grande durabilidade de estruturas feitas com concreto de alto desempenho. A sua baixa permeabilidade contribui para o controle de corrosão e carbonatação, além de proteger o concreto de ataques químicos e biológicos. Relatos de Almeida et al. (1995) ilustram o grande número e a diversidade das obras em concreto de alto desempenho no Brasil. Vale ressaltar a utilização do concreto de alto desempenho em obras de recuperação e reforço estrutural, em função, principalmente, da boa aderência com o aço ou com outro concreto já endurecido, além da alta fluidez que alcança sem segregação. Canovas (1988) destaca o melhor acabamento superficial alcançado com o concreto de alto desempenho como conseqüência de seu maior conteúdo de finos. De acordo com Aïtcin (1998), o concreto alcançou a resistência e durabilidade da rocha natural, mas uma rocha que pode ser facilmente

7 modelada, reforçada com barras de aço, protendida ou pós-tendida com cabos ou misturada com qualquer tipo de fibra. 2.2. MATERIAIS CONSTITUINTES O concreto é um material composto e suas propriedades dependem da proporção e propriedades de seus componentes, além da interação entre os mesmos (Neville, 1997). A escolha e adequação dos materiais constituintes compõem a primeira etapa na elaboração de um concreto de alto desempenho. Segundo Mehta e Monteiro (1994) a tarefa de escolha dos materiais não é fácil, tendo em vista que ocorrem grandes variações nas suas composições e propriedades físicas e químicas. O concreto de alto desempenho é obtido através de uma mistura de cimento, agregados, aditivos minerais e químicos e água, com uma baixa relação água/aglomerante. Aïtcin (1998) considera como baixos os valores menores que 0,40, baseado no fato de que é muito difícil, se não impossível, tornar trabalhável um concreto feito com os cimentos Portland mais comumente encontrados no mercado, sem a utilização de um aditivo superplastificante. A seguir serão descritas as principais propriedades dos constituintes normalmente utilizados no concreto de alto desempenho. Um estudo mais detalhado das características e influência dos aditivos minerais no concreto de alto desempenho encontra-se no Capítulo 3. 2.2.1. Cimento Portland O cimento Portland é um material pulverulento, aglomerante hidráulico, composto basicamente de silicatos de cálcio e aluminatos de cálcio que misturados à água se hidratam e, depois de endurecidos, mesmo que sejam submetidos novamente à ação da água não se decompõem mais.

8 Para a fabricação do cimento são empregados materiais calcáreos, como rocha calcárea e gesso, e alumina e sílica, encontradas facilmente em argilas e xistos. O processo de fabricação do cimento Portland consiste essencialmente em moer a matéria-prima, misturá-la nas proporções adequadas e queimar essa mistura em um forno rotativo até uma temperatura de cerca de 1450 o C. Nessa temperatura, o material sofre uma fusão incipiente formando pelotas, conhecidas com clínquer. O clínquer é resfriado e moído, em um moinho de bolas ou de rolo, até um pó bem fino (geralmente menor que 75 µm), com adição de um pouco de gesso, resultando o cimento Portland largamente usado em todo mundo (Neville, 1997). A mistura e moagem das matérias-primas podem ser feitas tanto em água quanto a seco, daí a denominação dos processos de via úmida e de via seca. Alguns materiais, como areia, bauxita e minério de ferro, são adicionados como corretivos, cuja função é suprir as matérias primas de elementos que não se encontrem disponíveis nas matérias primas principais. Durante a queima ocorrem inúmeras reações de estado sólido entre as fases constituintes, reações envolvendo essas fases e a parte fundida do material e, ainda, a ocorrência de transformações mineralógicas em função do resfriamento, gerando os principais componentes do cimento (Tabela 2.1), que quando hidratados fornecem as principais propriedades deste material (Zampieri, 1989). A última etapa de fabricação do cimento Portland constitui-se no resfriamento imposto aos nódulos produzidos, sendo de grande importância para a definição da reatividade e estabilidade das fases do clínquer. Tabela 2.1 Compostos principais do cimento Portland (Neville, 1997). Nome do composto Composição em óxidos Abreviação Silicato tricálcico 3CaO.SiO 2 C 3 S Silicato dicálcico 2CaO.SiO 2 C 2 S Aluminato tricálcico 3CaO.Al 2 O 3 C 3 A Ferroaluminato tetracálcico 4CaO.Al 2 O 3.Fe 2 O 3 C 4 AF Notação: CaO: C; SiO 2 : S; Al 2 O 3 : A; Fe 2 O 3 : F. As reações químicas entre os silicatos e aluminatos relacionados na Tabela 2.1 com a água são denominadas de reações de hidratação do cimento e