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Tema 3 – Caracterização do material

Viabilidade do emprego de cinza de casca de arroz natural em

concreto estrutural. Parte II: Propriedades da durabilidade

Isaia, G.1,a, Gastaldini, A.1,b, Zerbino, R.2,c, Sensale, G.3,d, Giaccio, G.2,e, Batic, O.2,f, Curutchet, B.3,g, Prevosti, C.3,h, Cervo,T.1,i

1 Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, RS, Brasil 2 LEMIT-CIC, La Plata, BUE, Argentina

3 Universidad de La República, IEM, Montevideo, Uruguay a [email protected], b [email protected], , c [email protected],

[email protected], e [email protected] f [email protected] [email protected], h [email protected], [email protected]

Palavras-chave: cinza da casca do arroz natural, cinza de casca de arroz moída, concreto estrutural, durabilidade, agentes agressivos Resumo.

Atualmente, a casca de arroz para ser utilizada em concreto estrutural, necessita de queima com temperatura controlada e de moagem para conferir maior reatividade pozolânica. Para simplificar o processamento da CCA e ampliar seu uso em locais próximos onde é produzida, este trabalho estuda o emprego de CCA natural e residual, sem moagem, para uso em concreto convencional. Estudou-se a seqüência de colocação e o tempo de mistura dos materiais na betoneira, para obtenção do melhor desempenho da moagem no tambor. Testaram-se misturas de concreto de referência com 100% de cimento e com 15% e 25% de substituição de cimento, em massa, por CCA natural (CCAN) e moída (CCAM). Realizou-se ensaios de resistência à compressão axial, carbonatação, penetração de cloretos, resistividade elétrica, absorção de água, permeabilidade ao oxigênio, resistência a sulfatos e reação álcali-sílica. Os resultados indicam que há viabilidade técnica para o uso de CCAN em concreto estrutural. A exceção dos ensaios de expansão das reações álcali-sílica, os dados dos demais ensaios indicam que para as variáveis estudadas, os resultados foram satisfatórios para CCAN, no teor de 15%. Para teores maiores é necessária investigação mais profunda para avaliar o paradoxo do aumento do desempenho das variáveis da durabilidade e diminuição das propriedades mecânicas. Estudos em andamento revelam que a expansão da RAS pode ser mitigada pela troca do cimento CPIIF por CPIIZ.

1. Introdução Entre as pozolanas para uso em concreto estrutural, a cinza volante e a

cinza de casca de arroz destacam-se por serem subprodutos agro-industriais para a produção de energia. Para melhorar as propriedades das cinzas de


origem vegetal misturadas ao concreto, relata a experiência atual que devem ser previamente queimadas, se possível com controle de temperatura, e moídas com o intuito de aumentar a sua finura para incrementar as propriedades gerais do concreto.

Por questões de sustentabilidade, a CCA produzida atualmente deve ser aproveitada em concreto, maior consumidor potencial deste resíduo. A indisponibilidade de CCA no mercado com características adequadas para tal uso, resulta em grandes quantidades depositadas a céu aberto, causando a poluição ambiental de solos e mananciais aqüíferos. O não aproveitamento da CCA, descartada em condições não sustentáveis, é destino que não pode ser aceito pela sociedade, razão pela quais inúmeras pesquisas foram realizadas nos últimos anos sobre o seu emprego em concreto estrutural.

A maioria das pesquisas sobre o uso de CCA em concreto aponta como condição para seu emprego com fins estruturais que deva possuir alta reatividade química para que as reações pozolânicas se processem em condições mais favoráveis e potencializem o desempenho requerido para o concreto [1, 2]. Alguns pesquisadores são de opinião que a CCA residual, produzida sem temperatura controlada e de menor finura, também pode ser utilizada em estruturas de concreto, porque podem apresentar características de qualidade suficientes para bom desempenho mecânico e à durabilidade [3, 4, 5]. Resultados significativos com a CCA residual são devidos ao efeito pozolânico como às ações físicas de dispersão e nucleação das partículas de cimento em razão do potencial zeta, e de tamponamento dos poros [6, 7].

A maioria dos engenhos de arroz brasileiros não se interessa no beneficiamento da CCA descartando-a como resíduo, muitas vezes contra as normas ambientais ocasionando poluição ambiental. Empresas de outros segmentos industriais não têm mostrado interesse no beneficiamento da CCA seja pelo investimento necessário em equipamentos, seja pelo consumo de energia agregado ao produto final, o que aumenta o seu custo.

Procedimento para aumentar o uso da CCA residual em concreto estrutural, dando-lhe um destino mais sustentável seria a sua utilização in natura, no estado como é obtida após a queima, sem moagem. Adicionada diretamente na betoneira, seria auto-moída com os demais agregados dentro do tambor, resultando na sua cominuição, o que reproduziria, em parte, o processo de moagem prévia da CCA em moinhos, utilizado nas pesquisas atuais. Com esta estratégia, seria aumentado o seu potencial de utilização, especialmente em obras de pequeno e médio portes, em regiões próximas às zonas produtoras de CCA, situação em que o concreto é misturado no próprio canteiro. Como benefícios, seria minimizado o custo de transporte, não seria consumida energia para o seu beneficiamento e seria dado destino sustentável pela diminuição do consumo de clinquer do cimento e todas os benefícios decorrentes relacionados ao meio ambiente.

Este trabalho apresenta resultados de pesquisa coordenada pelo Grupo de Estudos e Pesquisas em Concreto (GEPECON) da Universidade Federal de Santa Maria, Brasil, realizada em conjunto com o LEMIT de La Plata, Argentina e a UDELAR de Montevideo. No concreto fresco determinou-se seqüencia de colocação dos materiais na betoneira e o tempo de mistura para maximizar as


propriedades da resistência mecânica e durabilidade. É apresentada neste trabalho a segunda parte dos resultados dos ensaios de durabilidade de misturas de concreto com CCA natural e, também, com moagem prévia, para comparar seus desempenhos e averiguar a viabilidade do seu uso em concreto estrutural. A primeira parte desta pesquisa constou do estudo das pro piedades mecânicas, elásticas, deformação e microestrutura destes concretos com CCA natural e moída, cujos resultados foram publicados em [8].

2. Materiais e Métodos 2.1 Estudo prévio com CCA natural e moída

Foram amostradas CCAs de 17 engenhos de arroz da região de Santa

Maria, RS, recolhidas no estado em que saíram das fornalhas, sem controle de temperatura. Realizaram-se ensaios de resistência à compressão de argamassa, NBR 7215 [9], com as CCAN, e com as respectivas CCAM, moídas em moinho de bolas metálicas por 1h, com teores de substituição de cimento entre 15% e 30% em massa. Adotou-se a resistência à compressão dos corpos-de-prova (CP) como parâmetro de comparação. A Figura 1 apresenta CCAN, amostrada no engenho de arroz e a CCAM moída em laboratório.

(a) CCAM, moída por

1 h em moinho de bolas

(b) CCAN, natural, sem

moagem

(c) CCAN*, natural e moída por 10 min na

betoneira

(a) (b) (c) Figura 1 Cinza natural (CCAN) e moída (CCAM) (a): CCAM moída por 1 h em moinho de bolas; (b): CCAN natural, sem moagem; (c): CCAN natural moída

por 10 min. na betoneira. Estudou-se a seqüencia de colocação dos materiais na betoneira e o

tempo de mistura com concreto de relação a/mc = 0,55, com o mesmo cimento da etapa anterior, e substituição de 15% e 25% de sua massa por CCAN e CCAM. Empregou-se betoneira de eixo inclinado com cuba de 120 dm³ e capacidade de mistura de 40 dm³. O parâmetro de controle foi a resistência à


compressão axial de CPs 10x20 cm, a 28 dias (fc28), e os teores de material retido nas #0,075 e #0,044 mm por peneiração úmida seguida por seca, retirados da argamassa do concreto fresco. Sendo todos os materiais do mesmo lote, a finura das CCAN foi a variável que forneceu valor comparativo sobre a influência do tempo de moagem dos materiais na betoneira, combinada com os resultados de fc28. Após as simulações experimentais, foram adotadas as ordenações de colocação dos materiais no tambor e os tempos de mistura, que produziram os melhores resultados resistências à compressão e menores teores de material retido no ensaio de peneiramento:

• Misturas CCAN: (britas + CCAN = 2’), (água + aditivo = 2’), cimento = 2’ e areias = 9’. Tempo total = 15’;

• Misturas CCAM: (britas + água = 2’), cimento = 2’, aditivo = 2’, CCAM = 2’ e areias = 2’. Tempo total = 10’.

2.2 Características dos materiais cimentícios

Utilizou-se cimento CPII F–32, conforme NBR 11578 [10], CCAN do engenho Induber e a mesma CCAM de laboratório, conforme 2.1. A moagem da CCAN durante a mistura foi realizada a seco, sem cimento, com as mesmas quantidades dos material no tambor, por 15 min, respeitando-se a composição dos traços e o teor de 15% e 25% de substituição de cimento por CCA. A Tabela 1 apresenta os resultados dos ensaios dos materiais cimentícios.

Tabela 1 Características físicas e químicas dos materiais cimentícios

Propriedades Cimento CCAM1 CCAN2 CCAN153 CCAN253

Físicas Massa específica, kg/dm³ Área específica BET, m²/g Resíduo #0,075 mm, % Início de pega, min Fim de pega, min

3,06 1,44 2,98 157 205

2,09

19,67 82,18

1,41

49,25 4,97

1,96

44,41 9,09

1,93

45,01 4,84

Análise granulométrica Diâmetro médio, µm Diâmetro < 10%, µm Diâmetro < 90%, µm

11,5 1,3

41,6

15,5 2,4

54,1

n.d. n.d. n.d.

33,2 5,2

80,5

26,7 4,3

69,4 Análise química, % Perda ao fogo SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O

1,31

18,92 4,32 2,58

60,15 4,91 3,19

- -

0,25

94,84 0,39 0,54 1,32 0,40 0,01 0,11 1,45

0,51

95,04 0,00 0,44 1,25 0,45 0,01 0,09 1,40

1CCAM: CCA moída por 1 h em moinho de bolas; 2CCAN: CCA natural, conforme amostrada 3CCAN15 e CCAN25: CCA natural nos teores de 15 e 25%, respectivamente, moídas na betoneira juntamente com os demais materiais a seco.


A soma de SiO2+Al2O3+Fe2O3 > 50%, o teor de SO3 < 3,0% e de Na2O < 1,5% contemplam os requisitos da norma NBR 12653 [11] para material pozolânico classe E. O teor relativamente alto de potássio poderia ser uma das causas da maior cristalização das partículas amorfas, na formação de cristobalita, conforme Figura 3. A Tabela 1 mostra que a CCAN apresentou massa específica 48% menor do que a CCAM e, após a moagem na betoneira diminuição de apenas 7%. O diâmetro médio da CCAN foi praticamente o dobro da CCAM, o que mostra Esses dados revelam que a auto-moagem da CCAN promoveu fragmentação dos grãos, entretanto não reproduziu os valores obtidos para a CCA moída.

A Figura 2 apresenta (DRX) da CCAM com picos de cristobalita, o que lhe confere caráter cristalino, pela sua obtenção em temperaturas mais altas (acima de 600ºC) e da presença de teor de potássio relativamente alto.

C = cristobalita; C = quartzo

Figura 2 Difratograma de raios X de amostra de cinza de casca de arroz moída 2.3 Características físicas dos agregados

Utilizou-se duas areias naturais quartzosas: fina e grossa, da zona

utilizável, NBR 7211 [12], de Santa Maria, RS, secas em estufa, peneiradas na #4,8mm. Foram empregadas britas diabásicas, de Itaára, RS, classificadas como 1 e 2 de acordo com a NBR 7211, lavadas e peneiradas entre #19 mm e #6,3 mm, secas ao ar. Realizou-se composição granulométrica em várias proporções pelo ensaio da massa unitária compactada a seco. Os valores máximos das massas apontaram a proporção de 50% para cada tipo de agregado. A Tabela 2 mostra as características físicas dos agregados.

Tabela 2 Características físicas dos agregados

Agregados miúdos Agregados graúdos Areia

1 Areia

2 Areia 1+2

Brita 1

Brita 2

Brita 1+2

Massa específica, kg/dm³ 2,60 2,63 2,62 2,55 2,49 2,52 Massa unitária, kg/dm³ 1,51 1,57 1,54 1,40 1,39 1,40 Módulo de finura 2,81 1,89 2,35 5,42 6,91 6,17 D. máx. característica, mm 4,75 1,18 4,75 9,5 19 19


2.4 Aditivo

Usou-se aditivo superplastificante à base de carboxilatos, com densidade 1,1 kg/dm³ e 30% de sólidos, para abatimento 80±15mm. 2.5 Concreto

Dosou-se 5 famílias de traços: referência (REF – 100% de CP),; CCAM15 (M15 – 15% de CCA), em massa; CCAM25 (M25 – 25% de CCA); CCAN15 (N15 – 15% de CCA) e CCAN25 (N25 – 25% de CCA). Cada traço teve três relações a/mc: 0,45, 0,55 e 0,65. Manteve-se o volume de argamassa (Varg) seca em 50%, diminuindo-se na areia o aumento do volume de pasta nos traços com CCA. A Tabela 3 apresenta a quantidade de materiais por m³.

A seqüencia de colocação e o tempo de mistura dos materiais na betoneira foram citados em 2.1. Após a mistura foram medidos: abatimento, temperatura do concreto e do ar, massa específica e teor de ar incorporado. As moldagens dos CPs atenderam as normas específicas dos ensaios nomeados a seguir e o adensamento realizado em mesa vibratória. Permaneceram à temperatura de laboratório por 24 horas cobertos com tecidos saturados, posteriormente desmoldados e acondicionados em câmara úmida a 23±2°C e umidade relativa >95%, onde permaneceram até as datas dos ensaios. Os CPs foram moldados e ensaiados de acordo com as normas citadas em [13] e [14].

Tabela 3 Consumo de materiais por m³ de concreto1

Traços CCA %

Relação a/mc

Cimento kg/m³

CCA kg/m³

Areia kg/m³

Aditivo dm³/m³

REF 0,45 0,55 0,65

407 320 263

688 779 838

0,1 0,3 0,1

M15 15 0,45 0,55 0,65

346 272 223

61,1 47,9 39,4

664 760 822

1,3 1,4 1,2

M25 25 0,45 0,55 0,65

305 240 197

102 79,8 65,7

647 747 812

1,8 1,8 1,3

N15 15 0,45 0,55 0,65

346 272 223

61,1 47,9 39,4

627 732 799

2,2 2,1 2,2

N25 25 0,45 0,55 0,65

305 240 197

102 79,8 65,7

586 699 772

3,6 3,2 3,1

1Pedra: 1095 (0,45), 1099 (0,55), 1101 (0,65) kg/m³ Água: 183 (0,45), 176 (0,55), 171 (0,65) dm³/m³.


3 Discussão dos resultados de resistência à compressão axial

3.1 Resistência à compressão axial

A Figuras 6 apresenta os resultados dos ensaios de resistência à compressão axial a 28 e 91 dias.

Os traços CCAM apresentaram resistências mais elevadas, em especial M15, mostrando que a moagem da cinza foi determinante para o aumento da resistência devido à menor dimensão das partículas, o que favoreceu a nucleação de compostos hidratados. Os traços CCAN apresentaram menores resistências fc28 que REF e menores ainda comparados aos CCAM, porque apresentaram grãos maiores, e o efeito das reações pozolânicas não foi muito significativo nesta idade. Os traços N25 apresentaram as menores resistências pelo maior tamanho e teor de partículas mais grossas.

Figura 6 Resistência à compressão axial a 28 dias (a) e 91 dias (b)

A 91 dias os traços N15 cresceram de resistência, em nível similar aos CCAM, superando em até 18% os de REF. A partir de a/mc = 0,55 a inflexão da curva de N15 foi mais pronunciada comparada aos demais traços, ou seja, para menores a/mc, maior foi o efeito positivo da CCAN, que praticamente igualou-se em resistência aos traços CCAM para a relação a/mc = 0,45. O aumento da idade de 28 para 91 dias foi benéfico para N15 com resultados iguais ou maiores que os REF91 igualando-se, praticamente, com os M25. . A maior finura e reatividade de CCAM contribuíram para aumento da resistência, mais para M15 que M25. As misturas N15 apresentaram aumento de resistência em relação às REF91; para N25 diminuiu para percentuais similares, quando comparadas aos traços M25. O teor de 15% foi mais compensador do que 25%, especialmente para CCAN. A menor finura da CCAN afetou negativamente os traços com teor maior e a/mc mais alta, comparadas às aos REF.


3.2 Viabilidade técnica

A Tabela 4 apresenta as relações a/mc, consumo de cimento para três níveis de resistências de dosagem a 28 dias (fc28): 25, 30 e 40 MPa, que são usualmente empregadas no cálculo de estruturas. Os traços fc28-25MPa preenchem a condição a/mc ≤ 0,65 (classe de agressividade I: rural, NBR 12655 [15], fc28-30MPa a condição a/mc ≤ 0,60 (classe II: urbana), fc28-40MPa a condição a/mc ≤ 0,55 (classe III: marinha). Os consumos mínimos de materiais cimentícios da NBR 12655 foram cumpridos.

Tabela 4 Relações a/mc e consumo de cimento para fc28: 25, 30 e 40 MPa

fc28 MPa Parâmetros de análise REF CCA

M15 CCA M25

CCA N15

CCA N25

25

Relação a/mc Consumo cimento fc91 (p/fc28=25 MPa)

0,63 271 28,9

0,651

223 33,1

0,61 212 32,2

0,61 241 32,1

0,42 332 32,7

30


0,56 313 33,2

0,60 247 36,8

0,55 239 37,5

0,53 284 39,3

40


0,46 392 41,8

0,48 322 48,6

0,47 289 47,4

0,42 369 55,1

1Adotou-se o valor mínimo da NBR 12655 para a classe I: a/mc≤0,65

O traço N25 preencheu somente as condições de fc28-25MPa, com consumo de cimento 63% mais elevado que REF, sendo economicamente inviável. Os demais apresentaram consumos abaixo da REF: N15: -12% (25 MPa), -9% (30 MPa) e -6% (40 MPa). Os traços CCAM apresentaram consumos menores do que com CCAN pelas razões apontadas em 3.1. Houve crescimento superior a 30% de fc28 para fc91 dos traços N15, alcançando 39,3 MPa (fc28-30MPa) e 55,1 MPa (fc28-40MPa), que os elevaria para esses níveis de dosagem mais alta se fossem ensaiados a fc91. As resistências a fc91 da Tabela 4 serão utilizadas para a discussão de resultados das variáveis da durabilidade a seguir, em igualdade de resistência à compressão, por meio de regressão lineares ou não lineares. 4 Análise e discussão dos resultados das variáveis da durabilidade

4.1 Carbonatação acelerada

Utilizaram-se CPs 10x20 cm curados até 7 dias em câmara úmida, posteriormente em sala climatiza durante o período de sazonamento até o início do pré-condicionamento da umidade interna, realizada conforme norma RILEM TC 116-PCD [16]. O ensaio de carbonatação acelerado foi realizado em câmara climatizada a 23ºC e 70% U.R., com teor de CO2 de 5%, em volume. As profundidades de carbonatação foram medidas após 3, 6, 9 e 12 semanas


na câmara, conforme RILEM CPC-18, sendo posteriormente medidas por meio de digitalização de imagem e por rotina do software CAD. Adotou-se o modelo de Tuuti [17] para o cálculo dos coeficientes de carbonatação, apresentados na Figura 7, relacionados com as respectivas resistência à compressão.

Figura 7 Coeficiente de carbonatação e resistência à compressão a 91 dias Todos os traços apresentam linhas aproximadamente paralelas, denotando crescimento do coeficiente de carbonatação à medida que aumenta o teor de substituição de cimento, com exceção do traço N25. Neste, o crescimento da carbonatação é fortemente influenciada pelo decréscimo da resistência ou da relação a/mc, visto que para fc91 ≈ 30 Mpa (fc28 ≈ 25 MPa, a/mc ≈ 0,42 – Tabela 4) o coeficiente é similar ao do REF com a/mc ≈ 0,63. Os coeficientes de carbonatação dos traços N15 e M15 são muito similares e sem diferenças significativas, mostrando que a ausência de moagem da CCA praticamente não modificou o comportamento frente às reações de neutralização. O traço M25 apresentou ligeiro acréscimo em relação aos anteriores. Com exceção dos traços N25, os demais ficaram abaixo do valor 4 mm.semanas-0,5, para fc91 ≥ 35 MPa (fc28 ≥ 30 MPa), o que corresponde a carbonatação de concreto durável, com profundidade neutralizada de 40 mm em 100 anos, considerando-se a relação entre carbonatação acelerada e natural de 1 mm.semana-0,5 = 1 mm.ano-0,5 [18]. 4.2 Penetração acelerada e coeficientes de penetração de cloretos por imersão

O ensaio acelerado de penetração de cloretos foi realizado conforme o método ASTM C 1202 [19], em fatias de 10x5 cm cortadas dos CPs 10x20 cm, medindo-se a carga passante em Coulomb com diferença de potencial de 60V.

Os ensaios de penetração de Cl- por imersão foram realizados em CPs 10x10 cm, tendo as faces transversais impermeabilizadas e imersos em tanque com solução saturada de NaCl, com concentração de Cl- semelhante à


da água do mar (20.000 mg/l) conforme [20]. As medidas da profundidade de penetração foram realizadas a 0, 7, 14, 28, 56 e 91 dias e os procedimentos de cálculo dos coeficientes foram os mesmos do ensaio de carbonatação. A Figura 8 mostra as cargas em Coulomb relacionadas com as resistencias à compressão, a 91 dias. A figura mostra a classificação dos concretos quanto à penetração de cloretos, segundo a ASTM C1202.

Figura 8 Penetração de cloretos e

resistência à compressão a 91 dias Figura 9 Penetração de Cl- e coeficiente de penetração de Cl-

A penetração de Cl- decresce com o aumento da resistência (< relação

a/mc = aumento da compacidade) e com o teor de substituição de cimento, fato relacionado com o refinamento dos poros e dos grãos derivados das reações pozolânicas. Os traços N15 e N25 apresentaram penetração de Cl- maiores que M15 e M25 devido a menor finura e compacidade. Entretanto, todas as misturas com CCA apresentaram valores menores que REF que se situou na classificação de penetração moderada, assim como as N15, enquanto as misturas M15 e N25 entre moderada e baixa e a M25 entre baixa e muito baixa. A Figura 9 relaciona as cargas passantes com os coeficientes de penetração de Cl-. Todas as misturas apresentaram coeficientes inferiores a 11 mm.semana-0,5, exceção da N25 com resultados de 12 a 23 mm.semana-0,5, o dobro dos anteriores. Embora o ensaio de penetração de Cl- tenha mostrado desempenho distinto para os traços com CCA em relação à REF, os coeficientes de penetração foram similares, mostrando a necessidade da durabilidade dos concretos frente aos cloretos ser analisada por mais de um ângulo de abordagem. Essa dicotomia ocorre pela ação dos mecanismos que regem os dois ensaios: migração no ensaio de ASTM e difusão no ensaio de imersão. Observa-se que os traços N15, comparados aos M15 tiveram desempenho um pouco mais baixo por migração e semelhante na difusão. As diferenças se acentuaram nos traços N25 e M25, visto que o primeiro apresentou coeficientes de penetração bem superiores, pela sua menor compacidade e teor mais elevado de cinza de granulometria mais grossa.


4.3 Resistividade aparente e condutividade elétrica específica

O ensaio de resistividade elétrica aparente foi realizado conforme ASTM G57 adaptado para concreto por Wenner (método dos quatro eletrodos). Foram moldados CPs prismáticos 10x10x17 cm ensaiados a 3, 7, 14, 28, 56 e 91 dias. A condutividade elétrica específica foi calculada pela composição iônica dos poros dos íons: Ca2+, Na+, K+, OH- e SO4

2-, conforme Shi et al. [21]. A Figura 10 relaciona a resistividade elétrica aparente e as resistências

à compressão axial a 91 dias. No gráfico consta ainda a classificação proposta pelo CEB-FIP [22] quanto à probabilidade de corrosão da armadura.

Figura 10 Resistividade elétrica aparente e resistência à compressão axial a 91 dias.

Figura 11 Resistividade elétrica aparente e condutividade elétrica específica, a 91 dias.

Todas as misturas com CCA apresentaram resistividade mais alta do que as REF, revelando o benefício desta adição mineral no combate à corrosão. As misturas N15 se enquadraram dentro da categoria de probabilidade alta (≈ 9 KΩcm) enquanto as demais se situaram entre baixa (M15 e N25) e desprezível (M25). Observa-se que o aumento do teor de CCA natural e moída diminui a resistividade, devido ao refinamento dos poros resultante das reações pozolânicas. As retas da Figura 10 se posicionam quase horizontalmente em relação às abcissas revelando que a resistividade depende menos da resistência à compressão e mais da composição iônica. A Figura 11 relaciona a resistividade e a condutividade elétrica onde todas as misturas, com exceção das REF, apresentaram condutividade elétrica específica inferior a 1,5 ohm-1, com valores muitos similares para os traços com CCAM e CCAN. Como nas figuras 9 e 10, observa-se que a resistividade elétrica aparente não se relaciona diretamente com a condutividade específica porque são medidas de modos distintos, a primeira diretamente e a segunda por cálculo a partir da concentração dos íons presentes na solução dos poros.


4.4 Permeabilidade ao oxigênio e absorção capilar de água

Os ensaios de penetração de oxigênio e de absorção de água capilar

foram executados de acordo com o método RILEM TC 116-PCD [16] em CPs de dimensão 15x30 cm e serrados para 15x5 cm, em função das dimensões das células de difusão ao O2. A Figura 12 mostra os coeficientes de permeabilidade ao O2 e as resistências à compressão axial a 91 dias, juntamente com a classificação dos concreto de acordo com Lee et al. [23].

Figura 12 Coeficientes de permeabilidade ao O2 e resistência à compressão axial a 91 dias

Figura 13 Absorção de água capilar e resistência à compressão axial a 91 dias.

A Figura 12 mostra que todas as misturas com CCA tiveram coeficientes de permeabilidade ao O2 inferiores ao concreto REF, tão menores quanto maior foi o teor de substituição de cimento, denotando que o efeito do refinamento dos poros e obstrução física das partículas da CCA são eficientes para diminuir o fluxo do fluido. As misturas M15 e N15 tiveram comportamentos similares, quase superpostos, permanecendo entre as classificações bom e moderado, enquanto que as M25 e N25 ficaram na faixa de desempenho bom. O desempenho das misturas quanto à absorção capilar de água é semelhante ao dos coeficientes de permeabilidade ao O2, com as mesmas posições relativas no gráfico em relação à evolução dos efeitos da capilaridade com a resistência à compressão. Este comportamento está relacionado com os mecanismos de transporte dos fluidos que, em ambos os casos, dependem da conectividade e continuidade dos poros. 4.5 Coeficiente de permeabilidade ao ar


Foi empregado o método não destrutivo proposto por Torrent [24] para medição da permeabilidade ao ar da camada de cobrimento de concreto in situ. Os ensaios foram realizados sobre CPs 15 x 5 cm, iguais aos empregados para determinação do coeficiente de permeabilidade ao O2.

O aparelho consta de célula com dupla câmara, uma interna e outra externa e de um regulador de pressão de membrana para manter as duas câmaras com a mesma pressão. A técnica se baseia na realização de vácuo na célula colocada na superfície do concreto e medir a velocidade com que a pressão retorna ao valor da atmosfera. O valor obtido denomina-se de coeficiente de permeabilidade ao ar (Kt), o qual apresenta excelente correlação com o coeficiente de permeabilidade ao O2 segundo o método da RILEM. A qualidade do concreto é classificada em 5 níveis, em função dos resultados de Kt (x10-16 m²): nível 5: >10 (muito ruim); nível 4: 1,0 a 10 (ruim); nível 3: 0,1 a 1,0 (normal); nível 2: 0,01 – 0,1 (bom) e nível 1: <0,01 (muito bom).

A Tabela 5 apresenta os resultados em igualdade de resistência à compressão, para os níveis da Tabela 4. Com exceção dos traços M25 (muito bom) e N25 (muito ruim), todos as demais misturas classificaram-se na categoria normal. Os traços M15 apresentam resultados não coerentes com os demais ensaios porque mostrou valores maiores que o concreto REF, enquanto que a M25 mostrou os valores mais baixos. Somente as N25 não mostraram resultados adequados, em vista da menor finura de seus grãos.

Tabela 5 Coeficiente de permeabilidade ao ar em igualdade de resistência.

fc28

MPa Parâmetros de análise REF CCA M15

CCA M25

CCA N15

CCA N25

25

Relação a/mc Kt x 10-16 m²

0,63 0,65

0,65

0,74 0,61 0,26

0,61 0,43

0,42 >1,0

30


0,56 0,41

0,60 0,61

0,55 0,15

0,53 0,28

40


0,46 0,21

0,48 0,25

0,47 0,07

0,42 0,16

Comparando os resultados da Tabela 5 com os mostrados pela Figura 12,

observa-se coerência com os resultados dos coeficientes de permeabilidade ao O2, com exceção das misturas acima mencionadas: M15 e N25.

4.6 Resistência a ácidos

Os ensaios foram realizados segundo a norma ASTM C267 [25] e da

metodologia indicada por Mehta e Folliard [26]. Foram utilizados CPs de argamassa 5 x 10 cm curados em água com cal por 7 dias, retiradas nesta data para secagem superficial e pesadas em condição de saturadas superfície seca. A seguir foram mergulhadas em solução de ácido clorídrico a 1%. Foram realizadas medições de perda de massa semanalmente, até 12 semanas (84 dias). Segundo [26] adota-se como critério de falha perdas de massa entre 20% e 25%.


A Figura 14 apresenta as perdas de massa para a/mc = 0,45, para representar as misturas N25 com resistências fc28 ≈ 25 MPa e a Figura 15 para a/mc = 0,55 correspondente ás demais misturas com fc28 ≈ 30 MPa.

Observa-se que todas as misturas com CCA apresentaram perda de massa inferior ao concreto de referência e, a incorporação de 25% dos traços M25 em substituição ao cimento, resulta em melhor desempenho para qualquer relação a/mc. A figura 14 mostra que as relações a/mc = 0,45 e 0,55 apresentaram menor perda de massa para a CCAM.

Figura 14 Evolução da perda de massa com o tempo, para as relações a/mc = 0,45 (acima) e 0,55 (abaixo).

A Tabela 6 apresenta os resultados de perda de massa em igualdade de resistência, a partir das relações a/mc da Tabela 4. Apesar de serem concretos de agregados e cimentos distintos (embora de mesmo tipo), os resultados podem ser comparáveis entre si, para efeito de avaliação qualitativa.

Para fc28 = 25 MPa, somente a mistura N25 se mostrou adequada como concreto resistente a ácidos, em vista da baixa relação a/mc necessária para atingir essa resistência. Para f28 = 30 MPa, somente a mistura M25 se sitou na faixa entre 20% e 25%, enquanto para fc28 = 40 MPa, todas as misturas com CCA apresentaram valores adequados, em vista a diminuição da porosidade e, logo, da percolação dos ácidos pelos vazios capilares. Em todos casos observa-se o caráter benéfico do aumento do teor de CCA de 15% para 25%, tanto moída quanto natural, para redução da degradação do concreto.


Tabela 6 Perda de massa (%) em igualdade de resistência.


M15 CCA M25

CCA N15

CCA N25

25

Relação a/mc Perda de massa - %

0,63 61,4

0,651

41,7 0,61 28,8

0,61 37,4

0,42 14,9

30


0,56 51,5

0,60 34,5

0,55 22,6

0,53 26,9

40


0,46 35,1

0,48 20,2

0,47 13,1

0,42 17,1

4.7 Resistência aos sulfatos

Os ensaios de resistência aos sulfatos foram realizados pela ASTM

C1012 [27] e metodologia de Mehta e Folliard [26]. Os CPs prismáticos 25 x 25 x 285 mm foram curados em água com cal por 28 dias (Lo), após mergulhados em solução de Na2SO4 a 5%. As demais medições foram tomadas cada 15 dias até dois meses e, após, mensalmente até os 180 dias de exposição.

A Figura 15 apresenta as variações dimensionais, em %, para a/mc = 0,45, representando as misturas N25 (fc28 ≈ 25 Mpa) e a Figura 15 para a relação a/mc = 0,55 correspondente ás demais misturas com fc28 ≈ 30 MPa.

A imersão em Na2SO4 reduziu a expansão das misturas CCAN e CCAM em relação ao concreto REF. Os teores maiores de CCA, 25%, produziram expansões menores do que os de 15%. Em igualdade de incorporação de CCA, a moída apresentou expansões menores do que a natural.

Figura 15 Evolução da expansão devido aos sulfatos para as relações

a/mc = 0,45 (acima) e 0,55 (abaixo).


A Tabela 7 apresenta os resultados da expansão em igualdade de

resistência, a partir das relações a/mc da Tabela 4. Apesar de serem concretos de agregados e cimentos distintos (embora de mesmo tipo), os resultados podem ser comparáveis entre si, para efeito de avaliação qualitativa.

Tabela 7 Expansão (%) devida aos sulfato, em igualdade de resistência.


M15 CCA M25

CCA N15

CCA N25

25

Relação a/mc Expansão - %

0,63 1,90

0,65

0,80 0,61 0,13

0,61 1,30

0,42 0,08

30


0,56 1,20

0,60 0,65

0,55 0,10

0,53 0,78

40


0,46 0,14

0,48 0,29

0,47 0,06

0,42 0,03

Comparando-se com a expansão limite das reações álcali-sílica da NBR

15.577-4 [28] em 0,19% a 30 dias de idade, observa-se pela Tabela 7 que somente a mistura M25 preenche este requisito em todos os níveis de resistência, acrescidas das REF e N15 para fc28 = 40 MPa e a N25 para fc28 = 25 MPa. A mistura M15 não se classifica para nenhum nível de resistência.

4.8 Permeabilidade à água, penetração de água sob pressão

Os ensaios de permeabilidade e penetração de água sob pressão foram realizados em permeâmetro de carga variável, com pressão aplicada por compressor elétrico, que transmite-a à água contida num reservatório acima da amostra. Os circuitos pneumático e hidráulico estão divididos em dois sistemas independentes, para que vários corpos de prova podem ser ensaiados de cada vez. Os CPs foram impermeabilizados lateralmente para assegurar fluxo axial. As dimensões dos espécimes para o ensaio de permeabilidade foram 150 x 50 mm e o de penetração de água 150 x 150 mm. Aplicaram-se pressões crescentes de 0,2 a 0,6 MPa para o primeiro ensaio e de 0,1 a 0,7 MPa para o segundo, com duração de 48 h para a primeira pressão e 24 h para as demais. Para o ensaio de permeabilidade foi determinado o volume de água que atravessou a amostra ao longo do tempo e, quando se observou condição de fluxo constante, foi calculado o coeficiente de permabilidade pela lei de Darcy. No ensaio de penetração, após o seu término, os CPs foram rompidos à compressão diametral para medir a profundidade de penetração da água.

Foram ensaiados misturas para os traços de referência, M15 e N15, cujos resultados constam da Tabela 8. Observa-se que os valores encontrados para os traços com CCA foram inferiores ao referência, enquanto que as misturas N15 apresentaram valores mais elevados que a M15, devido ao maior tamanho dos grãos da primeira, facilitando o fluxo de água entre os poros.


Tabela 8 Resultados dos ensaios de permeabilidade e penetração de água

Concreto REF M15 N15 Penetração de agua sob pressão Media (mm) 34 17 28 Máximo (mm) 73 30 56 Coeficiente de permeabilidade à agua (10-11 m/s) 15,3 0 7,6

4.9 Reação álcali-sílica (RAS)

Para testar possíveis reações deletérias entre a sílica das CCA desta

investigação e os álcalis do cimento, foram realizados ensaios em prismas de argamassa conforme ASTM C 1260 e de concreto, ASTM C1293. Os resultados apontam para expansões maiores que 0,1% a 16 dias para as argamassas e que 0,04% em 18 semanas para concretos, quando foi utilizada CCA natural. As CCAM não apresentaram expansão delétria em concretos.

Os resultados destes ensaios serão apresentados em trabalho, em separado, neste congresso.

Como a CCA natural apresentou este comportamento, foi programada a continuidade desta pesquisa com a mudança do tipo de cimento e o emprego conjunto de cinza volante para mitigar essas reações.

5. Discussão geral dos resultados

A análise dos resultados em igualdade de resistência à compressão

axial permitiu comparação mais equitativa entre as variáveis da durabilidade. Em trabalho anterior, Isaia et al. [8], mostraram que o desempenho

mecânico dos concretos com CCA natural foi inferior ao da moída, sendo que para 15% as quedas não foram significativas, em geral menores de 10%, enquanto que para 25% de subsituição foram muito expressivas, acima de 30%, em relação às cinzas moídas. Para o nível de resistência fc28 = 25 MPa os traços N25 apresentaram consumo de cimento elevado o que os torna economicamente inviável.

Os ensaios de durabilidade apresentaram resultados melhores das misturas com CCA, seja moída ou natural, do que o concreto REF, atestando que esta adição mineral aumentou o desempenho dos concretos em função do refinamento dos poros e ação física de obstrução dos poros.

Para as propriedades carbonatação, permeabilidade ao O2, absorção de água, permeabilidade ao ar, resistência aos ácidos e sulfatos, as misturas com cinza natural apresentaram resultados melhores do que com cinza moída. Praticamente todas essas propriedades são dependentes do mecanismos de difusão, que poderia ser obstaculizada pelos poros das partículas de CCA natural, ainda não desfeitos. Com efeito as micrografias dos ensaios de MEV [8] confirmam a maior porosidade das pastas com CCAN em virtude da manutenção da estrutura celular porosa decorrente da remoção da lignina e celulose da casca.


Outra explicação possível, para as propriedades dependentes das interações físico-químicas, ou seja, mecanismos de difusão e reações químicas conjuntas, como a ação de ácidos e sulfatos, seria a fixação dos íons na superfície das estruturas das cascas de CCA não desfeitas, o que retardaria a sua penetração. Efeito oposto poderia também ser a explicação para a penetração e permeabilidade a cloretos assim como resistividade e condutividade elétrica específica, que facilitariam o transporte dos íons Cl- e outros para o interior do concreto, a partir da natureza catiônica das superfícies dos grãos de CCA não triturados totalmente.

Os resultados mostram que, à medida que aumentou o teor de 15% para 25%, a CCA natural ganhou desempenho em algumas propriedades e perdeu em outras. Para as misturas N25, entretanto, ficou claro que a limitação é de ordem de resistência mecânica e não de durabilidade.

Para o teor de 15%, as mistutras com CCA natural apresentaram melhor resultado que M15 nas seguintes propriedades: carbonatação, permeabilidade a Cl-, resistividade elétrica, resistência a ácidos e sulfatos. Nas demais as diferenças pró M15 não foram muito significativas, evidenciando que é possível o uso de CCA natural nesse teor em concreto estrutural.

Os resultados das reações deletérias entre a sílica da CCA natural e os álcalis do cimento mostram que deve ser investigo outro tipo de cimento com pozolanas, para possibilitar a mitigação destas reações

6. Conclusão

O estudo de viabilidade da substituição de 15% e 25% de cimento por CCAM e CCAN em concreto estrutural apresentou as seguintes conclusões:

• as resistências à compressão axial dos traços CCAM e N15 permitiram a obtenção de níveis de resistência 25 MPa, 30 MPa e 40 MPa. Os consumos de cimento foram inferiores ao concreto de referência. As resistências dos traços N25 somente alcançaram o patamar 25 MPa com consumo de cimento elevado, tornando-o economicamente inviável;

• para as propriedades da durabilidade estudadas: carbonatação, permeabilidade ao O2, absorção de água resistência aos ácidos e sulfatos o desempenho das misturas com cinza natural foi melhor do que com cinza moída;

• para as propriedades penetração de cloretos, resistividade e condutividade elétrica, permeabilidade ao ar e água, a cinza moída apresentou melhor desempenho, entretanto, para o teor de 15% as diferenças não são significativas; Os resultados desta pesquisa permitem concluir que existe viabilidade

de utilização de 15% de CCAN, sem moagem, em substituição ao cimento, em concreto para fins estruturais. Os desempenhos para esse teor foram, de modo geral, iguais ou um pouco mais baixos do que aqueles para misturas com CCAM, a 91 dias, entretanto ainda dentro de parâmetros considerados adequados para estruturas convencionais. O teor de 25% de CCAN não foi técnica e economicamente viável para uso em concreto.


Essas conclusões serão validadas em etapa posterior quando forem encontrados o tipo de cimento e teor de pozolana, como a cinza volante, que mitigarão as RAS.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao CNPq - Programa PROSUL, pelo apoio financeiro para a realização desta pesquisa, e à CAPES, FAPERGS e CNPq, pelas bolsas ofertadas. Referências [1] Mehta, P. K. Rice husk ash – A unique suplementary cementing material.

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