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CONSIDERAÇÕES SOBRE A MICROESTRUTURA DO CONCRETO

Luís Fernando Kaefer

1 Introdução O concreto de cimento Portland é um material poroso, com uma estrutura bastante heterogênea e complexa. Analisando sua macroestrutura identificamos dois constituintes principais: a pasta de cimento endurecida e partículas de agregado. Entretanto, analisando sua microestrutura com o auxílio de um microscópio, distinguimos que a pasta de cimento em contato com o agregado graúdo (numa espessura de 10 a 50 µm segundo MEHTA e MONTEIRO (1994)) possui características diferentes do restante da pasta, podendo ser considerada mais uma componente do concreto.

Figura 1 – Macroestrutura do concreto (MEHTA e MONTEIRO (1994))

Além disso, segundo MEHTA e MONTEIRO (1994): “Cada uma das fases é de natureza multifásica. Toda partícula de agregado pode conter vários minerais, além de microfissuras e vazios. Analogamente, tanto a matriz da pasta como a zona de transição contêm geralmente uma distribuição heterogênea, de diferentes tipos e quantidades de fases sólidas, poros e microfissuras, acrescentando-se ainda o fato de estarem sujeitas a modificações com o tempo, umidade ambiente e temperatura, o que torna o concreto, diferentemente de outros materiais de engenharia, um material com características parcialmente intrínsecas ao material.”

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Atualmente, o desenvolvimento do concreto está intimamente ligado ao estudo de sua microestrutura. O estudo da microestrutura do concreto permite uma melhor caracterização de cada constituinte e de seu relacionamento com os demais. Desta forma, identificam-se mecanismos responsáveis pela resistência, estabilidade dimensional e durabilidade das misturas, permitindo que se atue de maneira a melhorar as características dos concretos (MEHTA e MONTEIRO, 1994). O objetivo deste trabalho é caracterizar a microestrutura do concreto, relacionando-a com a performance final do concreto, principalmente nos aspectos durabilidade e resistência mecânica. Discutiremos também maneiras de atuarmos sobre esta microestrutura tal que possamos melhorar o comportamento do concreto. Obviamente, neste trabalho não teremos como nos aprofundar muito em cada tópico relacionado. Desta forma, para o início de uma leitura mais completa sobre a microestrutura do concreto, indicamos a bibliografia consultada neste trabalho. 2 A Estrutura do Concreto 2.1 Agregado Os agregados miúdo e graúdo são obtidos diretamente da natureza, como a areia; da britagem de rochas, como a brita; de processos industriais, como as argilas expandidas; ou ainda do reaproveitamento de rejeitos urbanos e industriais, como a escória de alto forno e concreto reciclado. A fase agregado é a principal responsável pela massa unitária, módulo de elasticidade e estabilidade dimensional do concreto (MEHTA e MONTEIRO, 1994). Desta forma as características mais importantes de um agregado são sua massa específica, textura, granulometria, resistência à abrasão e sanidade. A composição química da rocha matriz, quando não são detectados elementos reativos com o cimento ou meio ambiente, é menos importante que suas características físicas. A massa específica do agregado graúdo influi diretamente na massa específica final do concreto. A massa específica do agregado é também diretamente proporcional à resistência à compressão do concreto, pois quanto mais leve o agregado, em geral é maior a sua porosidade (índice de vazios) e consequentemente menos resistente torna-se o agregado, que acaba se tornando o elo fraco da mistura.

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A forma do agregado, caracterizada pela granulometria e textura, também influi, embora de maneira menos significativa nas propriedades do concreto. Agregados com grande diâmetro característico ou de forma lamelar facilitam a formação de um filme de água junto às paredes do agregado (exsudação interna), enfraquecendo sua ligação com a pasta. Diâmetros máximos menores aumentam a superfície de contato entre o agregado e a pasta de cimento, reduzindo as tensões de aderência, aumentando a resistência do concreto. Agregados com grande diâmetro máximo possuem também maior probabilidade de conter vazios e microfissuras internas. Agregados com textura lisa, como os seixos rolados tendem também a ter uma ligação mais fraca com a pasta. A distribuição granulométrica do agregado influencia segundo JENNIGNS apud DAL MOLIN (1995), o empacotamento dos grãos e, como resultado pode alterar a fração volumétrica de agregado a ser incorporada em uma mistura de concreto. A fração volumétrica está relacionada principalmente ao módulo de deformação do concreto e à demanda de água da mistura (DAL MOLIN, 1995). Deve-se notar que a resistência requerida do agregado deve ser consideravelmente superior à resistência normal do concreto pois as tensões reais nos pontos de contato das partículas individuais com o concreto podem ser bem maior que a tensão nominal de compressão aplicada (NEVILLE, 1988). As rochas sedimentares apresentam resistência um pouco abaixo das ígneas

Rochas Ígneas Resistência à Compressão MPa

granito (Serra da Cantareira, SP) 154 granito (Rio, RJ) 120

basalto 150

Tabela 1 – Resistência média à compressão de rochas ígneas brasileiras utilizadas normalmente como agregado para o concreto (BAUER, 1994)

Rocha Resistência à Compressão

MPa Granito 181 Felsite 324 Trap 283

Rocha calcária 159 Arenito 131

Mármore 117 Quartzito 252 Gnaisse 147 Schist 170

Tabela 2 – Resistência média à compressão de rochas norte-americanas utilizadas normalmente como agregado para o concreto (WOOLF apud NEVILLE, 1988)

Analisando as tabelas 1 e 2 verificamos que nos concretos de massa específica normal (entre 2.400 e 2.500 kg/m3) com resistência característica à compressão aos 28 dias de até aproximadamente 50 MPa, o agregado pouco influi na resistência final do concreto, pois é muito mais resistente que os demais elementos da mistura.

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Entretanto, quando eleva-se a resistência à compressão do concreto, muitas vezes a resistência da pasta de cimento supera a do agregado. A próxima tabela apresenta resultados interessante obtidos por GONÇALVES et al. apud DAL MOLIN (1995) aonde se mostra que dependendo do agregado, a resistência à compressão parece ser controlada pelo agregado (gnaisse e granito), pela argamassa (traquito) ou da zona de transição pasta agregado (calcário com presença de material pulverulento e do seixo: superfície lisa e arredondada).

Tipo de Rocha fc (MPa) Gnaisse Traquito Calcário Granito Seixo

(Quartzo) Rocha 76,6 178,3 95,0 78,5 110,0

Argamassa 93,2 93,2 93,2 93,2 93,2 Concreto: a/(c+ms) = 0,27 79,8 90,7 73,2* 82,0 71,8

* foi identificado material pulverulento na superfície dos agregados

Tabela 3 – Resistência à compressão de rochas, argamassas e concretos aos 28 dias de idade (GONÇALVES et al. apud DAL MOLIN, 1995)

O agregado deve também estar isento de substâncias deletérias como impurezas orgânicas, torrões de argila, materiais pulverulentos (ver o caso do calcário na Tabela 3) e cloretos. A presença destas substâncias pode alterar a resistência do concreto e sua durabilidade. Deve-se também ater a possíveis reações álcali-agregado que podem deteriorar (desagregar) completamente o concreto. No projeto de pavimentos, torna-se importante também a caracterização da resistência à abrasão do agregado. 2.2 Matriz (Pasta de Cimento) Chamamos de matriz a pasta de cimento que envolve os grãos de areia e o agregado graúdo. Ela é constituída por diferentes tipos de compostos hidratados do cimento. Os mais importantes são os silicatos hidratados C-S-H que podem parecer como estruturas fibrosas, carbonato de cálcio Ca(OH)2 que cristaliza em grandes placas hexagonais superpostas e a etringita, que cristaliza no início da pega na forma de agulhas. A porosidade total da pasta de cimento Portland fica entre 25 e 30% em volume para uma relação água / cimento de 0,5. Esta porosidade é decomposta em dois tipos de cavidades ou vazios: poros entre os cristais C-S-H, de alguns nanometros de comprimento, poros capilares entre os compostos hidratados, bolhas e fissuras, com tamanho variando entre 100 nm e alguns mm (MORANVILLE-REGOURD, 1992).

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1: C-S-H 2: Ca(OH)2 ou (C-H) 3: Vazio Capilar

Figura 2 – Microestrutura do concreto (MORANVILLE (1992))

A matriz é constituída pela zona de transição entre agregado e pasta e na pasta de cimento propriamente dita. De maneira a caracterizar a argamassa que preenche os vazios entre o agregado graúdo, caracterizaremos em primeiro lugar o cimento Portland, discorrendo sobre seus constituintes anidros, seu processo de hidratação e sobre os elementos gerados através da sua reação de hidratação. Em seguida discorreremos sobre os vazios sempre presentes na pasta de cimento endurecida e finalmente identificaremos as diferenças entre a pasta de cimento que fica na zona de transição da que não está em contato próximo com o agregado. 2.2.1 Cimento Portland O cimento tipo Portland é o aglomerante mais utilizado na produção do concreto. O cimento tipo Portland é um aglomerante hidráulico obtido da moagem do clínquer ao qual é adicionado gipsita (CaSO4). O clínquer é obtido do aquecimento a altas temperaturas de uma mistura de calcário e argila. Desta forma o cimento Portland é formado essencialmente por compostos que possuem cálcio e sílica em sua composição. Outros minerais surgem como impurezas. 2.2.1.1 Composição Química Os principais constituintes do cimento Portland são os silicatos de cálcio: C3S (silicato tricálcico – 3CaO . SiO 2) e C2S (silicato dicálcico – 2CaO . SiO 2); os aluminatos de cálcio: C3A (aluminato tricálcico – 3CaO . Al2O3) e o C4AF (ferroaluminato de cálcio – 4CaO . Al2O3 . Fe2O3) e a gipsita adicionada para inibir a tendência à pega instantânea ocasionada grande reatividade do C3A.

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As estruturas cristalinas do cimento Portland apresentam grandes vazios estruturais que são responsáveis pela alta energia e reatividade dos cimentos. Os cimentos apresentam também impurezas (magnésio, sódio, potássio e sílica) na estrutura cristalina (MEHTA e MONTEIRO, 1994). Nos cimentos comerciais aparecem sempre como impurezas o óxido de magnésio (MgO) proveniente do dolomito que aparece como impureza nas rochas calcárias e o óxido de cálcio (quase inexistente nos cimentos modernos). O teor de periclásio (forma cristalina do óxido de magnésio) deve ser restringido, pois sua hidratação é uma reação lenta e expansiva. Outras impurezas que sempre aparecem são os compostos alcalinos (sódio e potássio) provenientes da argila ou do carvão e que podem reagir com o agregado (reações álcali-agregado); e os sulfatos provenientes do combustível e que influenciam as reações iniciais de hidratação. Como já foi dito, ao clínquer finamente moído é adicionada uma pequena quantidade (em torno de 5%) de sulfato na forma de gipsita (CaSO4 . 2H2O) ou gesso de paris (CaSO4 . ½ H2O) para inibir a pega instantânea do clínquer. Dependendo da finalidade do cimento, são adotados limites diferenciados para seus componentes básicos (C3S, C2S, C3A e C4AF) e limites máximos para as impurezas. Definem-se ainda adições ao cimento. Desta forma surgem cimentos com diferentes características de resistência a ataques químicos e evolução da resistência à compressão. A tabela abaixo apresenta a proporção genérica dos componentes químicos do cimento Portland.

Teor de óxidos (%) Teor de compósitos (%) CaO 63,0 C3S 54-1 (45-60)* SiO2 20,0 C2S 16-6 (45-60)* Al2O3 6,0 C3A 10-8 (6-12)* Fe2O3 3,0 C4AF 9-1 (6-8)* MgO 1,5 SO3 2,0 K20

Na2O 1,0

Outros 1,0 Perdas na ignição 2,0

Resíduos insolúveis 0,5

(*) MEHTA E MONTEIRO (1994)

Tabela 4 – Composição típica de um cimento Portland (NEVILLE, 1988) 2.2.1.2 Hidratação do Cimento Portland O mecanismo de hidratação é constituído por um processo de dissolução-precipitação nas primeiras fases seguido de um processo topoquímico (MEHTA e MONTEIRO, 1994).

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O enrijecimento da pasta é caracterizado pela hidratação dos aluminatos e a evolução da resistência (endurecimento) é realizada pelos silicatos. a) Hidratação dos Aluminatos A reação do C3A com água é imediata e por isto há a necessidade da adição de sulfato para retardar a reação. A hidratação dos aluminatos na presença de sulfato resulta na etringita (C6AS3H32) que assumem formas aciculares e em monossulfatos hidratados com a forma placas hexagonais delgadas.

Figura 3 – Micrografia eletrônica de varredura de cristais hexagonais típicos de monossulfato hidratado e cristais aciculares de etringita formados pela mistura de soluções de aluminato de

cálcio e de sulfato de cálcio (MEHTA e MONTEIRO, 1994)

A formação das agulhas de etringita começa minutos após o início da hidratação, sendo responsáveis pelo fenômeno da pega e desenvolvimento da resistência inicial. Após alguns dias, dependendo da proporção alumina-sulfato do cimento Portland, a etringita pode tornar-se instável e decompor-se para formar o monossulfato hidratado, que é uma forma mais estável (MEHTA e MONTEIRO, 1994). O processo de hidratação do C4AF, pelo fato deste designar genericamente uma série de compostos, é de difícil caracterização e tem pouca influência na pasta endurecida. Segundo MEHTA e MONTEIRO (1994) seus compostos resultantes são estruturalmente similares aos formados a partir do C3A.

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b) Hidratação dos Silicatos A hidratação dos silicatos se dá algumas horas após o início da hidratação do cimento. A hidração do C3S e do C2S origina silicatos de cálcio hidratados que possuem composição química muito variada e são representados genericamente por C-S-H e hidróxido de cálcio Ca(OH)2, compostos estes que preenchem o espaço ocupado pela água e pelas partículas do cimento em dissolução. Os cristais de C-S-H formados são pequenos e fibrilares e o Ca(OH)2 forma grandes cristais prismáticos (MEHTA e MONTEIRO, 1994). Cálculos estequiométricos determinaram que a reação de hidratação do C3S resulta em 61% de C3S2H3 e 39% de Ca(OH)2 e a do C2S em 82% de C3S2H3 e 18% de Ca(OH)2. O C3S precisa de 24% de água para hidratar e o C2S apenas 21%. As reações de hidratação aproximadas podem ser escritas como (NEVILLE, 1988):

2C3S + 6H20 → C-S-H + 3 Ca(OH)2

2C2S + 4H20 → C-S-H + Ca(OH)2 Como o C-S-H é o principal responsável pela resistência da pasta endurecida e que uma maior quantidade de Ca(OH)2 diminui a resistência do concreto a ataques de ácidos e de sulfatos, verifica-se que um cimento com maior teor de C3S resulta em um concreto mais suscetível ao ataque químico e com menor resistência mecânica. Entretanto, o C3S hidrata mais rapidamente e é responsável por desenvolver a resistência do concreto nas primeiras etapas, sendo que a gipsita aumenta a velocidade de hidratação do C3S. 2.2.1.3 Compostos Resultantes da Hidratação do Cimento Conforme visto no tópico anterior, a hidratação do cimento resulta em três elementos principais, que caracterizam a pasta de cimento endurecida: § C-S-H: que representa, segundo MEHTA e MONTEIRO (1994), 50 a 60% do

volume de sólidos em uma pasta de cimento Portland completamente hidratada. São estes compostos os responsáveis pela resistência da pasta a esforços mecânicos. Sua a morfologia das placas varia de fibras pouco cristalinas a uma malha reticulada (MONTEIRO, 1985) (DAL MOLIN, 1995);

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Figura 4 – Micrografia eletrônica de varredura de uma pasta de cimento Portland com 3 dias

de idade mostrando os cristais de C-S-H (MEHTA e MONTEIRO, 1994)

§ Ca(OH)2: que ocupa, segundo MEHTA e MONTEIRO (1994), 20 a 25% do

volume de sólidos da pasta. Sua morfologia é bem definida, formando cristais prismáticos, sendo que o tamanho dos cristais aumenta conforme também aumenta o espaço livre (aumento da relação água/cimento). O hidróxido de cálcio contribui pouco para a resistência da pasta de cimento endurecida e em virtude de sua baixa superfície específica, que lhe confere um baixo poder de adesão, é facilmente carreado pela água. Aparentemente, o único aspecto positivo da presença do hidróxido de cálcio é a alcalinidade conferida ao meio, responsável pela passivação das armaduras (DAL MOLIN, 1995);

Figura 5 – Micrografia eletrônica de varredura de uma pasta de cimento Portland com 3 dias de idade, mostrando os grandes cristais de Ca(OH)2 e a estrutura fibrosa formada pelo C-S-H

(MEHTA e MONTEIRO, 1994)

§ sulfoaluminatos de cálcio: ocupam de 15 a 20% do volume de sólidos da pasta

hidratada (MEHTA e MONTEIRO, 1994). Os principais compostos são a etringita e o monossulfato de cálcio.

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2.2.2 Vazios A resistência da pasta é fortemente relacionada com a porosidade da mesma, uma vez que somente os elementos sólidos resistem aos esforços. A porosidade da pasta de cimento hidratada distribui-se da seguinte forma (MEHTA e MONTEIRO, 1994): § poros de gel ou entre camadas de C-S-H: vazios muito pequenos (com largura

entre 5 e 25 Å), que não influem na resistência da pasta; § vazios capilares: representam o espaço não preenchido pelos componentes sólidos

da hidratação do cimento. O volume total, e principalmente, a distribuição do tamanho dos poros afetam a resistência da pasta. Poros de pequeno diâmetro (< 50 nm) são descritos como pouco prejudiciais ao comportamento mecânico;

§ poros de ar incorporado: possuem forma esférica, com dimensões superiores aos vazios capilares. Podem ser decorrentes de uma má vibração do concreto ou terem sido intencionalmente incorporados. Devido a suas grandes dimensões reduzem bastante a resistência do concreto e aumentam a permeabilidade.

2.2.3 Zona de Transição entre a Pasta e o Agregado Como já exposto anteriormente, a zona de transição é a porção da pasta de cimento em contato com o agregado graúdo. Normalmente ela apresenta características diferentes do restante da pasta. A espessura e as características desta zona variam conforme os componentes da pasta e do agregado graúdo. A zona de transição é caracterizada por ser uma região com maior porosidade e heterogeneidade do que o restante da pasta. Esta porosidade é decorrente da elevação da relação água/cimento na mistura em decorrência do filme de água que se forma em torno do agregado graúdo. Os maiores espaços permitem a formação de grandes cristais de Ca(OH)2 com seu eixo C orientado perpendicularmente ao agregado, o que cria planos preferenciais de ruptura, conforme pode ser visto nas figuras 7 e 8. Verifica-se também falha na aderência entre a pasta e o agregado, podendo-se relacionar este fato aos grandes cristais formados, com superfície específica menor, o que diminui a força de adesão (forças de Van der Waals).

Figura 6 – Cristais de Ca(OH)2 na zona de transição visualizados por microscópio eletrônico de

varredura (MEHTA e MONTEIRO, 1994)

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Zona de Transição

Figura 7 – Representação esquemática da zona de transição entre a pasta de cimento e o agregado

(MONTEIRO, 1985)

Verifica-se também que há uma concentração maior de agulhas finas de etringita na zona de transição, conforme ilustra a figura abaixo.

Figura 8 – Representação esquemática da zona de transição entre a pasta de cimento e o agregado (MEHTA e MONTEIRO, 1994)

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Para o concreto convencional a espessura da zona de transição é de aproximadamente 50µm (MEHTA e MONTEIRO, 1994). A zona de transição é também considerada o elo fraco do conjunto, estando sujeita à microfissuração muito facilmente, com pequenos acréscimos de carregamento, variações de volume e umidade. A Figura 9, extraída de MONTEIRO (1985) é muito interessante pois condensa os resultados obtidos pelo autor e mostram o caminho das microfissuras para diferentes idades do concreto utilizando ou não agregado reativo. Monteiro conclui em sua pesquisa que quando o concreto é carregado nas primeiras idades, as microfissuras tendem a se propagar zona de transição bastante porosa. Entretanto, com o tempo, a zona de transição é preenchida com produtos da hidratação e as fissuras passam a se propagar pelo filme de hidróxido de cálcio depositado sobre o agregado. Quando se utilizam rochas carbonáticas como agregado, a pasta adere fortemente ao agregado através de processos químicos, mostrando-se na figura que o filme de hidróxido de cálcio pode deixar de ser o elo mais fraco da mistura, fazendo com que as fissuras possam se propagar pelo agregado.

Figura 9 – Representação esquemática do caminho de propagação de fissuras na zona de transição

(MONTEIRO, 1985)

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Na próxima figura mostramos duas microfotografias com fatores de magnificação diferentes da zona de transição entre o agregado e a pasta de cimento de um concreto convencional. Na foto da esquerda (×20000) observa-se uma microfissura entre o agregado e a pasta de cimento e na foto da direita (×60000) grandes cristais orientados de Ca(OH)2.

Figura 10 – Microfotografias da zona de transição entre o agregado e a pasta de cimento

(G) = agregado, (P) e (C) = pasta de cimento (MORANVILLE-REGOURD, 1992)

A fotografia abaixo foi tirada da zona de transição de um concreto de alto desempenho com adição de pozolana. Destaca-se que a baixa relação água/cimento e as reações pozolânicas formam uma densa zona de transição com pequenos cristais não orientados.

Figura 11 – Microfotografia de um concreto de alto desempenho com adição de pozolana

(G) = agregado, (C) = pasta de cimento (MORANVILLE-REGOURD, 1992)

2.2.4 Microestrutura do Concreto Neste tópico apresentaremos micrografias obtidas com microscópio eletrônico de varredura, apresentadas por Dal Molin em sua tese de doutorado (DAL MOLIN, 1995). Com estas micrografias, a autora mostra como o fator a/c e a adição de microssílica agem sobre a microestrutura do concreto, comprovando-se que a adição de microssílica e a redução do fator a/c aumentam o desempenho do concreto.

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Para compreender as micrografias é importante conhecer como se apresentam os componentes do concreto. De acordo com MONTEIRO apud DAL MOLIN (1995), os grãos anidros de cimento possuem a coloração mais clara, o hidróxido de cálcio cinza claro, o C-S-H cinza escuro e os vazios, coloração preta. As partículas de microssílica são de difícil visualização em virtude do reduzido tamanho, e quando aparecem possuem forma esférica e cor clara. A próxima figura ilustra estas afirmações.

A – Agregado C – Cimento anidro H – Pasta hidratada, com C-S-H e Ca(OH)2 PC – Poros capilares PA – Poro de ar aprisionado

Figura 12 – Micrografia de um concreto com adição de microssílica obtida com microscópio eletrônico de varredura (elétrons retro-espalhados) (DAL MOLIN, 1995)

O conjunto de micrografias da Figura 13 ilustra a maior porosidade do concreto com maior relação água cimento, sem adição de microssílica. Observa-se que a coloração da pasta em contato com o agregado (c) é mais escura, refletindo um maior número de vazios. Na Figura 14 observa-se que a maior coesão da pasta nos concretos preparados com relação a/c baixa e com adição de microssílica dificulta a expulsão do ar incorporado. Desta forma, conclui-se o processo de vibração deve ser mais cuidadoso no concreto de alto desempenho, fazendo com que estes concretos possam alcançar resistências ainda superiores. A Figura 15 ilustra o fato de que quando se utilizam fatores a/c inferiores a 0,43, nem todo o cimento anidro hidrata, permanecendo como material de enchimento na matriz, aumentando a compacidade.

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Figura 13 – Micrografias de concretos com 3 dias de idade, com: (a) relação a/c = 0,25, sem

microssílica; (b) relação a/(c+ms) = 0,25, com 10% de microssílica; (a) relação a/c = 0,50, sem microssílica; (b) relação a/(c+ms) = 0,50, com 10% de microssílica. (DAL MOLIN, 1995)

Figura 14 – Volume de ar incorporado em concretos, aos 28 dias de idade, com: (a) relação a/c = 0,25, sem microssílica; (b) relação a/(c+ms) = 0,25, com 10% de microssílica; (a) relação a/c = 0,50,

sem microssílica; (b) relação a/(c+ms) = 0,50, com 10% de microssílica. (DAL MOLIN, 1995)

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Figura 15 – Grão anidros de cimento e microssílica existente, aos 28 dias de idade, com: (a) relação a/c = 0,25, sem microssílica; (b) relação a/(c+ms) = 0,25, com 10% de microssílica; (a) relação a/c = 0,50, sem microssílica; (b) relação a/(c+ms) = 0,50, com 10% de microssílica. (DAL MOLIN, 1995)

A Figura 16 mostra que a morfologia de uma pasta de cimento com relação água cimento maior apresenta um aspecto mais aberto e poroso, com cristais maiores.

Figura 16 – Morfologia típica de uma pasta de cimento Portland com 24 horas de idade, preparada

com relação a/c = 0,50 (esquerda) e 0,25 (direita) (Microscopia de varredura com elétrons secundários (DAL MOLIN, 1995)

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3 Técnicas e Materiais Utilizados para Melhorar o Desempenho do Concreto Conforme visto no item anterior, o comportamento do concreto é governado pelo seu grau de homogeneidade, pela presença de microfissuras na zona de transição e por sua permeabilidade (índice de vazios). Desta forma neste tópico apresentaremos algumas técnicas e materiais utilizados para melhorar o desempenho do concreto, mostrando como eles modificam a microestrutura original do concreto, principalmente aumentando a homogeneidade da mistura e diminuindo a permeabilidade e porosidade. 3.1 Superplastificantes A maneira mais usual, simples e barata de obtermos concretos com melhores características é utilizar superplastificantes. Os superplastificantes envolvem as partículas de cimento, carregando-as negativamente, causando repulsão eletrostática entre elas, provocando a defloculação dos grãos de cimento. Segundo DAL MOLIN (1995) o resultado é uma dissociação dos aglomerados de cimento em partículas isoladas, com conseqüente decréscimo da viscosidade da pasta. Segundo MALHOTRA (apud DAL MOLIN, 1995) o superplastificante também diminui a tensão superficial da água e produz um filme lubrificante na superfície das partículas de cimento. O resultado final é que com o uso de superplasficante, é possível obter uma dosagem, para uma dada trabalhabilidade, com uma menor quantidade de água, o que diminui a porosidade do concreto e consequentemente aumenta sua resistência.

(a)

(b)

Figura 17 – Micrografias de duas pastas de cimento Portland com mesma relação água/cimento, no estágio inicial de hidratação, onde (a) não possui aditivo e (b) possui aditivo superplastificante

(MEHTA E MONTEIRO, 1994)

Segundo MORANVILLE-REGOURD (1992), superplastificantes como os naftalenos sulfonados, melaninas e lignosulfatos conseguem reduzir a relação a/c para até 0,16, relatando ainda que resistências à compressão de até 200 MPa já foram obtidas desta forma com uma porosidade de aproximadamente 5% em volume, obtendo-se matriz (pasta endurecida) homogênea e amorfa.

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3.2 Adição de Partículas Ultrafinas Entende-se como partículas ultrafinas ou pozolanas, o fumo de sílica, as pozolanas naturais e a escória de alto forno. Possuem características de atuação diferente, mas o resultado final é sempre o mesmo.

Figura 18 – Micrografia de partículas de microssílica (MEHTA E MONTEIRO, 1994)

A microssílica ocorre como microesferas com aproximadamente 0,5 µm de diâmetro que preenchem os espaços intersticiais entre os grãos de cimento que possuem um diâmetro médio de 30 a 100 µm. Primeiro a microssílica age como material de preenchimento (filler). Todas as partículas são bem dispersas com o uso de um superplastificante (é indispensável o uso de superplastificantes). Em seguida, durante a hidratação do cimento, as esferas de microssílica reagem como pozolanas, removendo o excesso de hidróxido de cálcio da pasta de cimento hidratado, conferindo uma aparência homogênea e amorfa ao C-S-H, conforme pode ser visto na Figura 19. Ação pozolânica da microssílica

Microssílica + CH + H → C-S-H (que preenche espaços capilares) A próxima figura ilustra o mecanismo de ação da microssílica na região de transição, transformando os grandes cristais de hidróxido de cálcio em C-S-H amorfo e homogêneo, preenchendo inclusive os espaços vazios.

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(a)

(b)

Figura 19 - (a) Zona de transição pasta / agregado de um concreto convencional típico (b) Zona de transição pasta / agregado de um concreto de alta resistência, obtidas por microscopia eletrônica

(DAL MOLIN, 1995)

3.3 Aplicação de Vibração e Pressão, e Cura a Alta Temperatura Moranville-Regourd (MORANVILLE-REGOURD, 1992) relata a experiência de um concreto obtido com cura a alta pressão e temperatura (1020 MPa e 150oC), com vibração, que atingiu uma resistência à compressão de 644 MPa e porosidade total de 2% em volume. O grau de hidratação do cimento atingiu apenas 30%. Os compostos hidratados (C-S-H) foram identificados como um gel envolvente às partículas de cimento anidro e comportaram-se como uma cola entre partículas densas. Tanto os compostos hidratados como o clínquer contribuíram para a alta resistência da pasta de cimento endurecida. A vibração eliminou bolhas de ar criadas durante a mistura que poderiam diminuir a resistência final do concreto. Podemos citar outra aplicação desta técnica por REDA et al. (1999), aonde investigaram-se concretos reforçados com microfibras de carbono com resistências de até 240 MPa. O concreto foi misturado em um misturador de argamassa de três velocidades por vibração durante 15 minutos. Após a moldagem dos corpos de prova, aplicou-se pressão de 80 MPa por quatro horas e finalmente os corpos de prova foram curados em um banho de água quente a 50°C. Alguns espécimes foram secados em um forno a 200°C dois dias antes do ensaio de compressão, verificando-se um acréscimo médio de 25% na máxima tensão de compressão aos 7 e 28 em relação aos espécimes de mesmo traço que não sofreram secagem no forno. Nos experimentos realizados em São Paulo por Dal Molin (DAL MOLIN, 1995) para concretos de alto desempenho com adição de microssílica verificou-se também que uma cura eficiente e mais prolongada melhora as características finais do concreto. 3.4 Escolha do Agregado Graúdo Como já foi dito anteriormente a escolha do agregado graúdo pode influir bastante na resistência do concreto, principalmente nos de alta resistência.

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Desta forma podemos dizer que em termos gerais, melhora-se a resistência do concreto quando: § diminui-se o diâmetro máximo do agregado; § escolhe-se agregados mais resistentes; § adota-se uma distribuição granulométrica que propicie um maior empacotamento da

mistura; § utiliza-se agregado com forma de partículas mais próximas às de um cubo, com

arestas rugosas; § emprega-se agregado reativo com os compostos do cimento como por exemplo

rochas carbonáticas, fortalecendo a aderência entre a pasta e o agregado. 3.4.1.1 Fibras As fibras mais utilizadas atualmente são as fibras de aço. Segundo MEHTA E MONTEIRO (1994), inicialmente considerou-se que tanto a resistência do concreto à tração e à compressão do concreto podiam ser aumentadas, com a introdução de fibras que combatessem a propagação de fissuras. Entretanto, experimentalmente descobriu-se que a quantidade de fibras que pode efetivamente ser incorporada é muito pequena, não conseguindo combater a formação d fissuras. Desta forma sua adição não altera significativamente a resistência do concreto. Entretanto, os ensaios mostraram que as fibras melhoraram bastante o comportamento pós-fissuração do concreto, permitindo que o concreto deformasse bem mais quando tracionado. Desta forma, a adição de fibras metálicas não aumenta a resistência à compressão ou tração do concreto, entretanto aumenta bastante sua tenacidade, a resistência ao impacto e resistência à flexão. Reda (REDA et al., 1999) relata a utilização de microfibras de carbono em concretos de altíssima resistência (UHPC), com resistência à compressão de até 240MPa. Nos ensaios verificou-se que os espécimes reforçados com microfibras obtiveram em média resistências últimas à compressão 15% superiores a seus pares obtidos sem a adição das microfibras. Comparando-se também o concreto com adição de microfibras com um concreto de alto desempenho de resistência a compressão igual (100MPa) verificou-se que as microfibras aumentaram muito pouco a tenacidade do concreto (cerca de três vezes), com influência muito limitada sobre o comportamento pós-pico. Os autores verificaram que isto se deve à grande aderência detectada entre as fibras e a pasta de cimento: a ruptura das fibras e não o seu arrancamento governou o comportamento pós-pico.

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Propriedade Microfibra de Carbono Fibra de Aço Diâmetro (µm) 7,4 25 Comprimento (mm) 3-6 12/25 Massa Unitária (kg/m3) 1780 7850 Resistência a Tração (MPa) 3600 1900 Relação Resistência / Peso (MPa ⋅ m3/Kg) 2,0 0,24

Módulo de Elasticidade 228 200 Tabela 5 – Propriedades físicas e mecânicas das microfibras de carbono e fibras

de aço (REDA et al., 1999) Os autores apresentam também fotos com a microestrutura do concreto obtido, mostrando que efetivamente as micro fibras de carbono ajudam a controlar a microfissuração do concreto e que não são criadas zonas de transição adicionais com as fibras.

Figura 20 – Micrografia mostrando as microfibras de carbono distribuídas na microestrutura

(× 616) (REDA et al., 1999)

Figura 21 – Micrografia mostrando uma microfibra de carbono rompida atravessando uma

microfissura (× 138) (REDA et al., 1999)

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3.4.1.2 Polímeros Polímeros podem ser adicionados ao concreto com a finalidade de modificar suas propriedades. Segundo MEHTA e MONTEIRO (1994), os concretos com polímeros podem ser divididos em três categorias: § concreto de polímero (CP), formado polimerizando-se uma mistura de monômero,

que substitui o cimento e agregado; § concreto modificado com látex (CML), concreto de cimento Portland

convencional no qual parte da água de amassamento é substituída por látex; § concreto impregnado com polímero (CIP), produzido impregnando-se ou

infiltrando-se um monômero ao concreto endurecido, que posteriormente é polimerizado.

Ainda segundo MEHTA e MONTEIRO (1994), os concretos com polímeros possuem aplicação limitada, pois em geral são muito mais caros e à exceção do CML, muito difíceis de se obterem. Desta forma, o CP, que chega a atingir resistências de 140MPa em algumas horas é utilizado apenas em concretagens emergenciais em situações de grande risco. O CML possui grande capacidade de aderência ao concreto antigo e grande durabilidade a soluções agressivas e desta forma sua principal aplicação é em reparos e pisos industriais. No caso do CIP, pela efetiva vedação de fissuras e poros capilares, é possível obter um concreto praticamente impermeável com resistências elevadas, da ordem do CP. O CIP é utilizado em elementos pré-fabricados de alta resistência. Em MORANVILLE-REGOURD (1992), o autor se refere a um cimento modificado com polímero que chamado de MDF (Macro Defect Free Cement). No MDF, é adicionado à mistura um polímero solúvel em água (hidroxi-propil-metil celulose ou um acetato de polivinila hidrolisado) que dispersa e lubrifica os grãos de cimento na suspensão da pasta de cimento. O cimento MDF é composto por 100 partes de cimento para 7 de polímero para 10 partes de água (em peso). Desta forma relação água/(cimento+polímero) de apenas 0,093. Para que o polímero seja capaz de formar um gel rígido, é preciso um processo de mistura vigoroso. Durante a pega e endurecimento, o polímero desidrata enquanto a pasta de cimento hidrata. No material endurecido o polímero adere-se fortemente aos grão de cimento e a porosidade final acaba ficando em 1% resultando em uma estrutura bastante compacta, aumentando a resistência à compressão. A microestrutura fica parecida à das pastas de cimento com baixa relação a/c. A principal característica é a existência de uma matriz densa e amorfa que envolve os grãos de clínquer com os cristais de Ca(OH)2 agrupando-se em finas lamelas conforme pode ser visto na Figura 22.

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A limitação do espaço para a formação de grandes cristais evita o aparecimento de fissuras ao longo dos planos de clivagem dos cristais, sendo que resistências à flexão de 150MPa tem sido relacionadas com a ausência de poros capilares e microfissuras. Pastas de MDF podem ser moldadas, estrudadas e laminadas como plásticos e podem ser usados em materiais compostos contendo areia, pós metálicos e fibras, que aumentam a tenacidade e resistência à abrasão do MDF.

Figura 22 – Pasta de cimento MDF com finos cristais de Ca(OH)2 numa matriz amorfa e

homogênea (MORANVILLE-REGOURD, 1992)

4 Conclusões O estudo da microestrutura do concreto é fundamental para o desenvolvimento de concretos de desempenho mais elevado. Este estudo permite que se detecte os pontos aonde o material não se comporta bem e abre caminho para que se intervenha, adicionando novos elementos ao concreto, que melhorem seu desempenho. Estudando a microestrutura dos novos concretos podemos ver como os novos ingredientes trabalham, verificando sua eficácia e garantindo desta forma que os concretos sejam concretos duráveis. 5 Bibliografia BAUER, L.A.F. Materiais de construção. Rio de Janeiro: LTC – Livros Técnicos e

Científicos Ed., 1994, 435p. DAL MOLIN, D.C.C. Contribuição ao estudo das propriedades mecânicas dos

concretos de alta resistência com e sem adições de microssílica. São Paulo, 1995. 286p. Tese (Doutorado). Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.

MEHTA P.K.; MONTEIRO, P.J.M. Concreto: estrutura, propriedades e materiais.

São Paulo: PINI, 1994, 573p.

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MONTEIRO, P.J.M. Microstructure of concrete and its influence on the

mechanical properties. Berkeley, California, 1985. 153p. Tese (Doutorado) – University of California, Berkeley.

MORANVILLE-REGOURD, M. Microstructure of high performance concrete. In:

MALIER, Y. High performance concrete - from material to structure. London, E & FN Spon, 1992. p.3-13.

NEVILLE, A.M. Properties of concrete. Burnt Mill, England: Longman Scientific &

Technical, 1988, 779p. REDA, M.M.; SHRIVE, N.G; GILLOTT, J.E. Microstructural investigation of

innovative UHPC. Cement and Concrete Research, n. 29, p. 323-29, 1999.

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Índice

1 Introdução _______________________________________________________ 1

2 A Estrutura do Concreto ____________________________________________ 2

2.1 Agregado_________________________________________________________ 2

2.2 Matriz (Pasta de Cimento) ___________________________________________ 4

2.2.1 Cimento Portland ________________________________________________ 5

2.2.1.1 Composição Química ___________________________________________ 5

2.2.1.2 Hidratação do Cimento Portland__________________________________ 6

2.2.1.3 Compostos Resultantes da Hidratação do Cimento ___________________ 8

2.2.2 Vazios ________________________________________________________ 10

2.2.3 Zona de Transição entre a Pasta e o Agregado _______________________ 10

2.2.4 Microestrutura do Concreto_______________________________________ 13

3 Técnicas e Materiais Utilizados para Melhorar o Desempenho do Concreto __ 17

3.1 Superplastificantes ________________________________________________ 17

3.2 Adição de Partículas Ultrafinas______________________________________ 18

3.3 Aplicação de Vibração e Pressão, e Cura a Alta Temperatura _____________ 19

3.4 Escolha do Agregado Graúdo _______________________________________ 19

3.4.1.1 Fibras ______________________________________________________ 20

3.4.1.2 Polímeros ___________________________________________________ 22

4 Conclusões ______________________________________________________ 23

5 Bibliografia______________________________________________________ 23