UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA ESCOLA POLITÉCNICA

MESTRADO EM ENGENHARIA AMBIENTAL URBANA – MEAU

SILVIO DE CERQUEIRA MAZZA

ESTUDO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E DA

ADERÊNCIA DO SISTEMA ARGAMASSA DE REPARO COM CIMENTO GEOPOLIMÉRICO/SUBSTRATO DE

CONCRETO COM CIMENTO PORTLAND

Salvador

2010

SILVIO DE CERQUEIRA MAZZA

ESTUDO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E DA ADERÊNCIA DO SISTEMA ARGAMASSA DE REPARO COM CIMENTO GEOPOLIMÉRICO/SUBSTRATO DE

CONCRETO COM CIMENTO PORTLAND

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação do Mestrado em Engenharia Ambiental Urbana (MEAU) da Universidade Federal da Bahia (UFBA), apoiado pela Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), através do Programa Nacional de Cooperação Acadêmica (PROCAD), como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Ambiental Urbana. Orientadora: Profª. Dra. Vanessa Silveira Silva Co-orientador: Profo. Dr. Dylmar Penteado Dias

Salvador. 2010

M477 Mazza, Silvio de Cerqueira

Estudo das propriedades mecânicas e da aderência entre argamassa de reparo geopolimérica e substrato de concreto com cimento Portland / Silvio de Cerqueira Mazza. – Salvador, 2010.

188 f. : il. color.

Orientador: Profa. Dra. Vanessa Silveira Silva Co-Orientador: Prof. Dr. Dylmar Penteado Dias Dissertação (mestrado) – Universidade Federal da Bahia.

Escola Politécnica, 2010.

1. Argamassa - Propriedades mecânicas. 2.Cimento Portland. 3. Concreto – Propriedades. I. Silva, Vanessa Silveira. II. Dias, Dylmar Penteado. III. Universidade Federal da Bahia. IV. Título.

CDD.: 620.1

À minha mãe Neite in memorian, ao meu pai Moacyr, à minha esposa Célia e aos meus

filhos Rodrigo e Felipe, meu eterno agradecimento e AMOR!

AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradeço a Deus, pela vida, pela força e certeza na condução dos

meus caminhos.

O trabalho de uma dissertação de mestrado envolve um longo período e, por ser

experimental, conta com a colaboração de muitas pessoas. Nesta oportunidade agradeço

a valorosa colaboração de todos que se envolveram direta e indiretamente: ao meu pai,

Moacyr Mazza e a minha mãe, Neite Mazza , in memorian, agradeço a minha vida, a

dedicação extremada, o amor, a confiança e tudo o que sou e serei; aos meus irmãos,

cunhadas e cunhados, que colaboraram com confiança, torcida, pelo amor e carinho,

sempre; a minha esposa sempre amada, Celinha pela cumplicidade, pela força que tanto

deu e sempre dará (tenho certeza) pelo meu sucesso (que também é dela), aos meus

filhos queridos Digo e Lipe, pelo apoio, carinho e estimulo; à minha sogra querida, D.

Célia pelo incentivo e por torcer sempre pelo meu sucesso; a minha cunhada,

queridíssima e amada Gal, que também torce tanto por mim; à minha cunhada Aida, por

tantas palavras positivas que tem estimulado a busca da minha qualificação; as minhas

queridas e tanto amada sobrinhas, Adriana, Andréa e Malu, pelos momentos felizes e

incentivos ao meu crescimento profissional e intelectual; aos amigos e tios queridos,

Ailson e Ceris, a quem agradeço especialmente o carinho, o apoio, o conforto, a

companhia, a hospedagem e ao grande estimulo dado nessa etapa e em outras que estão

por vir; aos meus orientadores, Vanessa e Dylmar, pelo saber ministrado e

compartilhado, pela confiança depositada, pela amizade, apoio e soluções propostas

frente aos obstáculos; aos professores Ricardo Carvalho, Silvoso, Guilherme Cordeiro,

Romildo Toledo, Jardel, Tatiana Dumet, Rita Dione e a Reila pela confiança e

comunhão de saberes; aos amigos do DCTM/UFBA: Paulo e Manoel, do CEPED:

Emilio e do Laboratório de Estruturas da COPPE/UFRJ, Rodrigo e Rosângela, pelo

compartilhar de conhecimentos e pela amizade; à CAPES pelo apoio financeiro, através

do PROCAD.

Resumo da Dissertação apresentada ao MEAU/UFBA como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Ambiental Urbana (M.Sc.)

RESUMO

Neste trabalho, analisa-se o resultado do comportamento mecânico e de

aderência das argamassas geopolimérica no reparo/reforço, em entalhe, no banzo

tracionado de vigas de concreto, buscando um melhor conhecimento teórico-

experimental a respeito do geopolímero e da aderência entre esses materiais. O

programa experimental foi dividido em duas partes. Na primeira, para caracterização da

matéria-prima das argamassas geopoliméricas, foram utilizadas técnicas de análise com

Difração de Raios X (DRX), Granulometria a Laser, Área Superficial (BET), ensaios

para caracterização da composição química (Eflorescência de Raios X), Análise

Termogravimétrica (TG/DTG), Análise Térmica Diferencial (ATD), Calorimetria

Exploratória Diferencial (DSC), Espectroscopia de Fluorescência de raios X e

Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). A segunda parte do programa

experimental consistiu na caracterização dos materiais empregados na produção do

concreto do substrato, produção das argamassas de reparo e verificação do

comportamento mecânico do concreto e argamassas de reparo à compressão axial, à

tração por compressão diametral, à tração direta e na flexão e verificação do

comportamento da aderência do reparo ao substrato de concreto, através dos ensaios de:

resistência à tração na flexão a quatro pontos e resistência de aderência ao cisalhamento

na flexão. Da análise conjunta de todos os resultados obtidos, pode-se concluir que a

argamassa geopolimérica melhorou o desempenho da peça reparada/reforçada nos

entalhes e garantiu o aumento da carga de ruptura das vigas em relação à referência

(graute), indicando-a como uma boa técnica para reforço das estruturas de concreto.

Esta pesquisa foi importante para a compreensão do comportamento de novos materiais

para reparo/reforço e recuperação de estruturas em concreto.

Palavras-chave: Argamassa Geopolimérica, Comportamento Mecânico do

Geopolímero, Reparo, Aderência.

Abstract of Thesis presented to MEAU/UFBA as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Urban Environmental Engineering (M.Sc.)

ABSTRACT

No building is durable because it is composed of materials whose properties vary

as a result of their aging and their interaction with the environment. The problem of

poor durability of the buildings results in the appearance of pathologies, it is then

necessary to repair, reinforcement and restoration of buildings. In this paper, we analyze

the result of mechanical behavior and adhesion of geopolymer mortars in the

repair/strengthening in the slot, pulled the flange of reinforced concrete beams, seeking

a better theoretical and experimental knowledge about the geopolymer and adhesion

between these materials. The experimental program was divided into two parts. At first,

to characterize the raw material of geopolymer mortars were used analysis techniques

with X-Ray Diffraction (XRD), Laser Particle Size, Surface Area (BET), experiments to

characterize the chemical composition (Efflorescence X-Ray) Thermogravimetric

Analysis (TG), Differential Thermal Analysis (DTA), Differential Scanning

Calorimetry (DSC), Fluorescence Spectroscopy and X-ray scanning electron

microscopy (SEM). The second part of the experimental program consisted of the

characterization of materials used in the production of concrete substrate, production of

mortar repair and verification of the mechanical behavior of concrete and mortar repair

to axial compression, tensile strength by diametrical compression, tensile and direct

flexion and the behavior verification of the repair adhesion to the concrete substrate,

through the testing of tensile strength in bending to four points and shear bond strength

in bending. Joint analysis of all results obtained, it can be concluded that the

geopolymer mortar improved the performance of the part repaired/strengthened in the

slots and ensured an increase in tensile strength of the beams in relation to the reference

beams (grouting), indicating it as a good technique for strengthening concrete

structures. This research was important for understanding the behavior of new materials

to repair/recover and strengthening of concrete structures.

Keywords: Mortar Geopolymers, Mechanical Behavior of Geopolymer, Repair,

Adhesion.

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1: Participação da América Latina, em maior parte representada pelo Brasil, como uma das mais

baixas emissões de CO2/toneladas de cimento (Fonte: ABCP, 2009) ........................................................ 28

Figura 2.2: Distribuição das origens dos problemas patológicos com relação às etapas de produção das

obras civis. Fonte: Aranha (1994) .............................................................................................................. 30

Figura 2.3: Distribuição dos métodos de reabilitação empregados nas estruturas. Fonte: Andrade (1997).

.................................................................................................................................................................... 31

Figura 2.4: Zona de transição entre argamassa e concretos de diferentes idades. Fonte: adaptada de

Emmons & Vaysburd (1996 apud SANTANA (2004) ............................................................................. 40

Figura 3.1: Estrutura tridimensional do cimento geopolimérico. Fonte: (DAVIDOVITS, 1988) ............. 57

Figura 3.2: Micrografia do compósito de cimento Geopolímerico e de Portland, mostrando detalhes dos

produtos de C-S-H externo (Fonte: Skaf, 2008). ....................................................................................... 58

Figura 4.1: Localização da cidade de Itamarajú – Ba. Fonte: IBGE, 2009. ............................................... 74

Figura 4.2: Caulim da Mineração Monte Pascoal. ..................................................................................... 75

Figura 4.3: Etapas da calcinação do caulim (pesagem; calcinação e resfriamento.) ................................. 76

Figura 4.4: Organograma da calcinação, onde diferentes tipos de caulim foram submetidos a tratamentos

térmicos a diferentes temperaturas e tempos de queima ............................................................................ 77

Figura 4.5: Preparação do caulim para calcinação. ................................................................................... 78

Figura 4.6: Processo da moagem. (a) vista do Moinho de Bola, (b) vista da carga e (c) vista do

metacaulim moído. .................................................................................................................................... 79

Figura 4.7: Difratograma obtido dos dados de difração do metacaulim do Tipo A, calcinado durante 4

horas a 600OC. (a) Difratogramas dos caulins. (b) Sobreposição dos difratogramas. ................................ 81

Figura 4.8: Difratogramas do Metacaulim do Tipo A, após calcinação durante (a) 1 hora; (b) 2 horas;

(c) 3 horas e (d) 4 horas. ............................................................................................................................ 82

Figura 4.9: Ensaio de granulometria a Laser, realizado no Labest/COPPE/UFRJ. ................................... 84

Figura 4.10: Curva granulométricas dos diferentes tipos de caulim (TipoA, B e C) utilizado no programa

experimental. ............................................................................................................................................. 85

Figura 4.11: Ensaio de Análise Térmogravimétrica, realizado no Labest/COPPE/UFRJ. (a) identificação

das amostras; (b) vista frontal do equipamento. ......................................................................................... 88

Figura 4.12: Gráficos das Análises Térmicas (TG e DTG) das amostras de caulim beneficiado. ............. 89

Figura 4.13: Gráficos das Análises Térmicas (TG e DTG) das amostras dos metacaulins antes da

moagem. .................................................................................................................................................... 90

Figura 4.14: Gráficos das Análises Térmicas (TG e DTG) das amostras de metacaulim após moagem .. 91

Figura 4.15: Sobreposição das curvas DTA e DSC da metacaulinita após moagem. ................................ 92

Figura 4.16: Micrografias do caulim, metacaulim e do sistema substrato/reparo. .................................... 97

Figura 5.1: Cimento utilizado na produção do concreto e como fonte cálcio no geopolímero. ................. 99

Figura 5.2: Agregados graúdos na coleta e após caracterizados. ............................................................. 100

Figura 5.3: Curva granulométrica do agregado miúdo (areia). ................................................................ 101

Figura 5.4: Preparo do concreto para moldagem dos corpos-de-prova ................................................... 103

Figura 5.5: Ensaio de abatimento pelo tronco de cone. ........................................................................... 104

Figura 5.6: Preparação das formas para moldagem dos corpos-de-prova de concreto. ........................... 105

Figura 5.7: Etapas de produção dos geopolímeros .................................................................................. 109

Figura 5.8: Etapas de produção do graute. .............................................................................................. 110

Figura 5.9: Moldagem dos corpos-de-prova com geopolímeros. ............................................................ 111

Figura 5.10: Formas para os corpos-de-prova de argamassa, com dimensões de 22,5 mm x 22,5 mm x 285

mm. .......................................................................................................................................................... 112

Figura 5.11: Preparação dos entalhes com moldes em isopor, para concretagem das vigas a serem

reparadas. ................................................................................................................................................. 112

Figura 5.12: Moldagem dos reparos e dos corpos-de-prova com geopoliméros e graute. ....................... 113

Figura 5.13: Máquinas de ensaio Shimadzu. ........................................................................................... 114

Figura 5.14: Ensaio de resistência à compressão axial, do concreto e argamassas, realizados na UFRJ em

prensa da marca Shimadzu, modelo UHF, servocontrolada, com capacidade de 1000 KN. ................... 115

Figura 5.15: Ensaio de resistência à compressão diametral do concreto, realizados na UFRJ em prensa da

marca Shimadzu, modelo UHF, servocontrolada, com capacidade de 1000 KN. ................................... 117

Figura 5.16: Ensaio de resistência à compressão diametral das argamassas, realizado em prensa da marca

Soiltest, ELE, servocontrolada, com capacidade de 1000 KN. ............................................................... 117

Figura 5.17: Amostras utilizadas nos ensaios de tração direta. ............................................................... 119

Figura 5.18: Ensaio de tração diteta das argamassas, realizados na UFRJ em prensa da marca Shimadzu,

servocontrolada, com capacidade de 100 KN. ......................................................................................... 119

Figura 5.19: Ensaio de tração na flexão à quatro pontos, realizados na UFRJ em prensa da marca

Shimadzu, servocontrolada, com capacidade de 100 KN. ....................................................................... 120

Figura 5.20: Posicionamento dos apoios e das cargas aplicadas para os ensaios em corpos-de-prova de

28,5 cm de comprimento. ........................................................................................................................ 121

Figura 5.21: Configuração do ensaio de resistência na flexão à quatro pontos (Fonte: ABNT NBR

12.142:1994). .......................................................................................................................................... 122

Figura 5.22: Configuração do ensaio de resistência na flexão à quatro pontos com 02 transdutores e 04

extensômetros. ......................................................................................................................................... 123

Figura 5.23: Configuração do ensaio de resistência na flexão à quatro pontos com 02 transdutores e

04 extensômetros. .................................................................................................................................... 123

Figura 5.24: Configuração do ensaio de resistência na flexão à quatro pontos com 02 transdutores e 04

extensômetros. ......................................................................................................................................... 124

Figura 5.25: Posicionamento dos apoios e das cargas aplicadas para os ensaios em corpos-de-prova de

40 cm de comprimento. ........................................................................................................................... 124

Figura 5.26: Configuração do corpo-de-prova e do ensaio de resistência de aderência ao cisalhamento na

flexão (AFNOR NF 18.851:1992). Desenho sem escala. Dimensões em mm. ....................................... 125

Figura 5.27: Tipos de ruptura possíveis. Ensaio AFNOR NF P 18.851:1992. ........................................ 127

Figura 5.28: Etapas de preparação das vigas para instrumentalização com extensômetros. .................... 128

Figura 5.29: Configuração do ensaio para verificar o modo de ruptura da viga monolítica (AFNOR NF P

18.851:1992). .......................................................................................................................................... 128

Figura 5.30: Configuração do ensaio para verificar o modo de ruptura da viga com graute (AFNOR NF P

18.851:1992). .......................................................................................................................................... 129

Figura 5.31: Configuração do ensaio para verificar o modo de ruptura da viga com reparo geopolimérico

do Tipo A100 (AFNOR NF P 18.851:1992). .......................................................................................... 129

Figura 5.32: Configuração do ensaio para verificar o modo de ruptura da viga com reparo geopolimérico

do Tipo A150 (AFNOR NF P 18.851:1992). .......................................................................................... 130

Figura 6.1: Gráfico com a curva típica relacionando tensão versus deformação axial e lateral dos corpos-

de-prova de concreto do substrato, ensaiados aos 28 dias de idade. ........................................................ 132

Figura 6.2: Gráfico tensão versus deformação com curva típica para cada argamassa de reparo: a) A100;

A150 e Graute - com 28 dias de idade. .................................................................................................... 134

Figura 6.3: Superposição dos gráficos tensão versus deformação das curvas típicas para as argamassas de

reparor. .................................................................................................................................................... 134

Figura 6.4: Resistência à compressão e módulo de deformação dos corpos-de-prova dos Geopolímeros e

do graute ensaiados aos 56 dias de idade. ............................................................................................... 137

Figura 6.5: Tipos de ruptura dos compósitos na compressão axial. ........................................................ 138

Figura 6.6: Gráficos relacionando a Média das resistências à tração por compressão diametral (Rtcd),

obtidas do ensaio de compressão diametral dos corpo-de-prova cilíndricos de 50 mm x 100 de materiais

de reparo (A100. A150 e Graute). ........................................................................................................... 139

Figura 6.7: Ensaio de resistência à compressão diametral do concreto e argamassa, realizado na UFRJ em

prensa da marca modelo UHF, servocontrolada, com capacidade de 1000 KN. ..................................... 140

Figura 6.8: Comparação entre a Resistência à Tração Direta x Corpos-de-prova de argamassa de

referência (Graute), obtida do ensaio de tração direta em corpos-de-prova prismáticos de 25 mm x 25

mm x 285 mm. ........................................................................................................................................ 141

Figura 6.9: Ensaio de resistência à tração direta do graute, realizado na UFRJ em prensa da marca

Shimadtzu, servocontrolada, com capacidade de 100 KN. ...................................................................... 142

Figura 6.10: Relação Argamassas de Reparo x Resistência Média à Tração na Flexão dos geopolímeros,

obtida do ensaio de tração na flexão em corpos-de-prova prismáticos de 25 mm x 25 mm x 285 mm. .. 143

Figura 6.11: Relação Carga versus Flecha das argamassas, resultante do ensaio de tração na flexão em

corpos-de-prova prismáticos de 25 mm x 25 mm x 285 mm. ................................................................. 144

Figura 6.12: Ensaio de resistência à tração na flexão à quatro pontos, realizado com prensa da marca

Shimadtzu, servocontrolada, com capacidade de 100 KN. ...................................................................... 145

Figura 6.13: Gráficos relacionando os valores da média da resistência à compressão do substrato e das

argamassas de reparo e seus desvios padrões (Concreto, Geopolímero A100, A150 e Graute). ............. 146

Figura 6.14: Gráficos relacionando a Média dos Modulos de Deformação versus corpos-de-prova

cilíndricos de materiais diferentes (concreto do substrato e das argamassas de reparo). ......................... 148

Figura 6.15: Curvas carga x deslocamentos para as vigas: (a) sem reparo e com reparos (b) A100; (c)

A150 e (d) Graute .................................................................................................................................... 150

Figura 6.16: Curvas carga x deslocamento das vigas (curvas com maior potencial), ensaiados a tração na

flexão à quatro pontos. ............................................................................................................................ 151

Figura 6.17: Detalhe da curvas carga x deslocamento das vigas, ensaiados a tração na flexão à quatro

pontos das vigas (monolítica e com reparos). .......................................................................................... 153

Figura 6.18: Detalhe da curvas carga x deslocamento das vigas, ensaiados a tração na flexão à quatro

pontos para carga máxima de 10,80 KN (90% da carga máxima de ruptura da viga monolítica). .......... 154

Figura 6.19: Posicionamento da instrumentação nas vigas ensaiadas. .................................................... 156

Figura 6.20: Curva carga x deformação lateral, na zona tracionada das vigas (com reparo: A100, A150,

Graute). .................................................................................................................................................... 158

Figura 6.21: Comparação dos deslocamentos horizontais (deformações) relativos entre o material do

substrato e o material de reparo/reforço (A100, A150 e com Graute) para a região da junta. ................. 159

Figura 6.22: Configuração do ensaio e detalhe da ruptura da viga monolítica. Ensaio AFNOR NF P 18-

851:1992. ................................................................................................................................................. 160

Figura 6.23: Vista da forma de ruptura Tipo M – Monolítica. Ensaio AFNOR NF P 18-851:1992. ...... 160

Figura 6.24: Configuração do ensaio e detalhe da ruptura Tipo I-2 – Viga com graute. Ensaio AFNOR NF

P 18-851:1992. ........................................................................................................................................ 161

Figura 6.25: Vista da forma de ruptura Tipo I-2 – Viga com Graute. Ensaio AFNOR NF P 18-851:1992

.................................................................................................................................................................. 161

Figura 6.26: Configuração do ensaio e detalhe da ruptura Tipo M – Monolítica. Ensaio AFNOR NF P 18-

851:1992. ................................................................................................................................................. 162

Figura 6.27: Vista da forma de ruptura Tipo M – Viga com reparo A100. Ensaio AFNOR NF P 18-

851:1992. ................................................................................................................................................. 162

Figura 6.28: Configuração do ensaio e detalhe da ruptura Tipo M – Monolítica. Ensaio AFNOR NF P 18-

851:1992. ................................................................................................................................................. 163

Figura 6.29: Vista da forma de ruptura Tipo M – Viga com reparo A150. Ensaio AFNOR NF P 18-

851:1992. ................................................................................................................................................. 163

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1: Índices de patologias em estruturas de concreto armado no Brasil. ........................................ 30

Tabela 2.2: Propriedades mecânicas típicas para materiais de reparo. ....................................................... 37

Tabela 2.3: Níveis mínimos para propriedades das argamassas de reparo... .............................................. 37

Tabela 2.4: Requisitos gerais de materiais destinados ao reparo localizado de estruturas.. ....................... 38

Tabela 3.1: Cronologia sobre alguns acontecimentos acerca do cimento geopolimérico no mundo.. ........ 52

Tabela 3.2: Cronologia sobre alguns acontecimentos acerca do cimento geopolimérico no Brasil.. ......... 53

Tabela 4.1: Análise do teor de amorfos presentes nos diferentes tipos de metacaulim.. ............................ 83

Tabela 4.2: Tratamento dos dados de granulometria a laser do caulim.. .................................................... 85

Tabela 4.3: Comparação da superfície especifica do metacaulim tipo A e dos caulins, tipo A, B e C ....... 86

Tabela 4.4: Dados obtidos das curvas de TG e DTG do caulim ................................................................. 90

Tabela 4.5: Dados obtidos das curvas de TG e DTG do metacaulim antes e após a moagem.................... 91

Tabela 4.6: Composição química do Caulim tipo A. .................................................................................. 94

Tabela 4.7: Composição química do Metacaulim tipo A. .......................................................................... 94

Tabela 5.1: Características químicas do Cimento CPII Z-32, dados do fabricante com limites de

especificação de acordo com a ABNT NBR 11.578:1991.. ....................................................................... 99

Tabela 5.2: Características físicas do agregado graúdo ( brita 9,50 e brita 19,00) do presente estudo. .... 100

Tabela 5.3: Características físicas do agregado miúdo (areia) do presente estudo .. ................................ 100

Tabela 5.4: Traço e consumo da mistura de concreto (Kg/m3).... ............................................................. 102

Tabela 5.5: Resultado dos ensaios de resistência à compressão axial e diametral de diferentes argamassas

geopoliméricas..... ..................................................................................................................................... 107

Tabela 5.6: Traço e consumo de materiais utilizado na produção das argamassas geopoliméricas.... ..... 108

Tabela 5.7: Etapas da produção do geopolímero.... .................................................................................. 108

Tabela 5.8: Características do Graute.... ................................................................................................... 110

Tabela 6.1: Propriedades mecânicas do concreto sob compressão axial.... .............................................. 132

Tabela 6.2: Propriedades mecânicas das argamassas A100 sob compressão axial..... .............................. 135

Tabela 6.3: Propriedades mecânicas das argamassas A150 sob compressão axial ..... ............................. 136

Tabela 6.4: Propriedades mecânicas das argamassas GRAUTE sob compressão axia ..... ...................... 136

Tabela 6.5: Resumo das propriedades mecânicas das argamassas de reparo sob compressão axial ..... ... 137

Tabela 6.6: Propriedades mecânicas das argamassas A100 sob compressão diametral..... ...................... 139

Tabela 6.7: Resumo das propriedades mecânicas das argamassas sob compressão diametral..... ............ 139

Tabela 6.8: Propriedades mecânicas das argamassas A100 sob tração direta..... ..................................... 141

Tabela 6.9: Propriedades na tração direta das amostras prismática de argamassas..... ............................. 141

Tabela 6.10: Propriedades mecânicas da argamassa de reparo sob tração na flexão..... ........................... 143

Tabela 6.11: Propriedades da tração na flexão das amostras prismática..... ............................................. 143

Tabela 6.12: Resumo compartivo da resistência à compressão dos materiais analisados..... ................... 146

Tabela 6.13: Resumo compartivo do Módulo de Elasticidade dos materiai analisados...... ..................... 147

Tabela 6.14: Valores de carga máxima (ou início de fissuração) e deslocamento vertical máximo das

vigas...... ................................................................................................................................................... 152

Tabela 6.15: Comparação das flechas das vigas no meio do vão a 90% da carga máxima de ruptura da

viga de referência...... ............................................................................................................................... 155

Tabela 6.16: Valores das cargas de ruptura, flechas máximas e deformações laterais para cada viga

ensaiada...... .............................................................................................................................................. 156

Tabela 6.17: Valores das flechas e deformações laterias das vigas a uma carga correspondente a 90% da

carga de ruptura da viga monolítica (referência)...... ................................................................................ 157

Tabela 6.18: Tipos de ruptura que ocorreram. Ensaio AFNOR NF P 18-851:1992...... .......................... 164

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS

ABCP: Associação Brasileira de Cimento Portland

ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas

ACI: American Concrete Institute

ADT: Análise Térmica Diferencial

AFNOR: Association Française de Normalisation

ARI: Alta Resistência Inícial

ASTM: American Society for Testing and Materials

ATD: Análise térmica diferencial

ATG: Análise termogravimétrica

BET: Brunauer, Emmett e Teller

CAED: Concreto Armado de Elevado Desempenho

CAPES: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

CEPED: Centro de Pesquisa e Desenvolvimento do Estado da Bahia

CETA: Centro Tecnológico da Argamassa

COPPE: Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-graduação e Pesquisa de Engenharia

CP: Cimento Portland

C3A: Aluminato tricálcico

CO2: Dióxido de carbono

C3S: Silicato tricálcico

C2S: Silicato dicálcico

C-S-H: Silicato de cálcio hidratado.

C.V.: Coeficiente de variação.

D: Diâmetro

DSC: Calorimetria Exploratória Diferencial DMC: Diâmetro máximo característico do agregado.

DTG: Termogravimetria Diferencial

E: Módulo de elasticidade

EDS: Espectrômetro de energia dispersiva

EESC: Escola de Engenharia de São Carlos

ENDS: Estratégia Nacional para Desenvolvimento Sustentável

EPS: Poliestireno expandido

FTIR: Espectroscopia no infravermelho GPa: Giga Pascal

GEE: Gás de Efeito Estufa

GEHO: Grupo Español Del Hormigon

IME: Instituto Militar de Engenharia

IPPC: Painel Intergorvernamental sobre Alterações Climáticas

KN: Kilonewton

LACQUAL: Laboratório de Catálise e Química Ambiental

LABEST: Laboratório de Estruturas

LECIV: Laboratório de Engenharia Civil

LVDT: Linear Variation Displacement Transducer

MEAU: Mestrado em Engenharia Ambiental Urbana

MEV: Microscopia Eletrônica de Varredura

METALMAT: Laboratório de Microscopia Eletrônica da Escola de Metalurgia da UFRJ

MPa: Mega Pascal

N: Newton

NBR: Norma Brasileira Regulamentada

NM: Norma do MERCOSUL

NUCAT: Núcleo de Catalisador

PROCAD: Programa Nacional de Cooperação Acadêmica

TG: Termogravimetria

UFBA: Universidade Federal da Bahia

UENF: Universidade Estadual do Norte Fluminese

UFRJ: Universidade Federal do Rio de Janeiro

XRD: Difração de Raios X

t: Tempo.

T: temperatura

δ: Flecha maxíma

με: Microstrain

µ: Média

σ: Desvio Padrão

ft: Carga de Ruptura na tração

fc: Carga de Ruptura na Copressão

Rc: Resistência à compressão axial

Rtcd: Resistência à tração por compressão diametral

RctM: Resistência à tração na flexão

cdt 'σ: Resistência à tração por compressão diametral

tσ : Resistência à tração direta (MPa);

ftσ : Resistência à tração na flexão

ftσ : Resistência à tração na flexão

ν: Coeficiente de Poisson

Acp Área do corpo de prova

bcp Base do corpo de prova

e Espessura do corpo de prova

E Módulo de elasticidade na compressão

h Altura do corpo de prova

σc1 Tensão de compressão correspondente à deformação axial εa1

σc2 Tensão de compressão correspondente a 40% da carga de ruptura

εa1 Deformação axial igual a 0,000050

εa2 Deformação axial produzida pela tensão σc2

εl1 Deformação lateral produzida pela tensão σc1

εl2 Deformação lateral produzida pela tensão σc2

εa Deformação axial na compressão

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS

LISTA DE TABELAS

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 21

1.1 MOTIVAÇÃO ............................................................................................................................. 21

1.2 JUSTIFICATIVA ......................................................................................................................... 21

1.2.1 ASPECTOS CIENTÍFICOS ............................................................................................................ 21

1.2.2 ASPECTOS TECNOLÓGICOS ....................................................................................................... 22

1.2.3 ASPECTOS REFERENTES A APOIOS INSTITUCIONAIS .................................................................. 22

1.2.4 ASPECTOS AMBIENTAIS ........................................................................................................... 23

1.3 OBJETIVO GERAL ..................................................................................................................... 23

1.4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .......................................................................................................... 23

1.5 METODOLOGIA ......................................................................................................................... 24

1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO ...................................................................................................... 24

CAPÍTULO 2. PROPRIEDADES E COMPORTAMENTOS MECÂNICO E DE ADERÊNCIA DOS

MATERIAIS .............................................................................................................................................. 26

2.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS .......................................................................................................... 26

2.2 PATOLOGIAS DAS CONSTRUÇÕES ............................................................................................. 29

2.3 DURABILIDADE E REPARO EM ESTRUTURAS DE CONCRETO ...................................................... 31

2.4 ARGAMASSAS DE REPARO......................................................................................................... 33

2.5 ADERÊNCIA.............................................................................................................................. 38

2.6 COMPORTAMENTO DA ADERÊNCIA AVALIADA ATRAVÉS DO ENSAIO DE FLEXÃO...................... 45

CAPÍTULO 3. CARACTERIZAÇÃO DAS ARGAMASSAS GEOPOLIMÉRICAS .............................. 49

3.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................. ..............49

3.2 EVOLUÇÃO DOS ESTUDOS SOBRE GEOPOLÍMEROS..................................................................... 49

3.3 OBTENÇÃO E ESTRUTURA .........................................................................................................53

3.3.1 OBTENÇÃO DO CIMENTO GEOPOLIMÉRICO................................................................................ 53

3.3.2 MATÉRIA-PRIMA DO CIMENTO GEOPOLIMÉRICO........................................................................54

3.3.2.1 METACAULIM............................................................................................................................54

3.3.3 ESTRUTURA DO CIMENTO GEOPOLIMÉRICO...............................................................................56

3.3.4 MECANISMOS DAS REAÇÕES GEOPOLIMÉRICAS.........................................................................59

3.3.5 ATIVAÇÃO ALCALINA................................................................................................................60

3.3.5.1 ATIVADORES.............................................................................................................................62

3.3.6 EFEITO DA ÁGUA NO PROCESSO DE GEOPOLIMERIZAÇÃO..........................................................63

3.4 PROPRIEDADES DOS GEOPOLÍMEROS........................................................................................63

3.4.1 TRABALHABILIDADE DOS GEOPOLÍMEROS.................................................................................63

3.4.2 TEMPO DE PEGA DOS GEOPOLÍMEROS........................................................................................64

3.4.3 RESISTÊNCIA MECÂNICA DOS GEOPOLÍMEROS...........................................................................65

3.4.4 EFEITO DA GRANULOMETRIA NA RESISTÊNCIA MECÂNICA DOS GEOPOLÍMEROS........................67

3.4.5 EFEITO DA TEMPERATURA E DO TEMPO DE CALCINAÇÃO NA RESISTÊNCIA MECÂNICA DOS

GEOPOLÍMEROS........................................................................................................................................68

3.4.6 EFEITO DA TEMPERATURA E UMIDADE NO DESENVOLVIMENTO DA RESISTÊNCIA MECÂNICA DOS

GEOPOLÍMEROS........................................................................................................................................69

3.4.7 MÓDULO DE ELASTICIDADE DOS GEOPOLÍMEROS......................................................................69

3.4.8 PERMEABILIDADE DOS GEOPOLÍMEROS.....................................................................................69

3.4.9 RESISTÊNCIA À ABRASÃO DOS GEOPOLÍMEROS..........................................................................70

3.4.10 DURABILIDADE DAS PASTAS, ARGAMASSAS E ESTRUTURAS DE CONCRETO GEOPOLIMÉRICO....70

CAPÍTULO 4. PROGRAMA EXPERIMENTAL: CARACTERIZAÇÃO DA MATÉRIA-PRIMA DOS

GEOPOLÍMEROS ..................................................................................................................................... 73

4.1 INTRODUÇÃO.............................................................................................................................73

4.2 OBTENÇÃO DO CAULIM ............................................................................................................ 73

4.3 OBTENÇÃO DO METACAULIM .................................................................................................. 75

4.3.1 CALCINAÇÃO INICIAL – DEFINIÇÃO DA TEMPERATURA E DO TEMPO DE QUEIMA ...................... 75

4.3.2 CALCINAÇÃO FINAL – PRODUÇÃO DO METACAULIM ................................................................ 78

4.3.3 MOAGEM DO METACAULIM ...................................................................................................... 79

4.4 CARACTERIZAÇÃO DO CAULIM E DO METACAULIM .................................................................. 79

4.4.1 DIFRAÇÃO DE RAIOS X ............................................................................................................. 80

4.4.2 GRANULOMETRIA A LASER....................................................................................................... 84

4.4.3 ÁREA SUPERFICIAL ESPECÍFICA ................................................................................................ 86

4.4.4 ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA .............................................................................................. 87

4.4.5 ESPECTROSCOPIA DE FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X .................................................................. 93

4.4.6 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA ............................................................................ 94

CAPÍTULO 5. VERIFICAÇÃO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO E DE ADERÊNCIA,

MÉTODOS DE ENSAIO... ........................................................................................................................ 98

5.1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................................... 98

5.2 COMPOSIÇÃO DOS MATERIAIS .................................................................................................. 98

5.2.1 CIMENTO PORTLAND ................................................................................................................ 98

5.2.2 AGREGADOS ............................................................................................................................. 99

5.2.2.1 AGREGADO GRAÚDO .............................................................................................................. 100

5.2.2.2 AGREGADO MIÚDO ................................................................................................................. 100

5.2.3 ÁGUA ..................................................................................................................................... 101

5.3 PRODUÇÃO DO CONCRETO...................................................................................................... 101

5.3.1 DOSAGEM DO CONCRETO ...................................................................................................... 102

5.3.2 PRODUÇÃO E MOLDAGEM DOS DOS CORPOS-DE-PROVA DE CONCRETO ................................... 102

5.4 PRODUÇÃO DAS ARGAMASSAS DE REPARO ............................................................................. 106

5.4.1 DOSAGEM E DEFINIÇÃO DO TRAÇO DAS ARGAMASSAS GEOPOLIMÉRICAS ............................... 106

5.4.2 PREPARO DAS ARGAMASSAS GEOPOLIMÉRICAS ...................................................................... 108

5.4.3 DOSAGEM E PREPARO DO GRAUTE (ARGAMASSA DE REFERÊNCIA) ......................................... 110

5.5 MOLDAGEM DOS CORPOS-DE-PROVA DAS ARGAMASSAS GEOPOLIMÉRICAS DE REPARO ......... 110

5.6 MÉTODOS DE DETREMINAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO CONCRETO E DAS

ARGAMASSAS DE REPARO ..................................................................................................................... 114

5.6.1 COMPORTAMENTO SOB COMPRESSÃO .................................................................................... 115

5.6.2 COMPORTAMENTO SOB TRAÇÃO ............................................................................................ 116

5.6.2.1 ENSAIO DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO POR COMPRESSÃO DIAMETRAL........................................116

5.6.2.2 ENSAIO DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO DIRETA.......................................................................... ..118

5.6.2.3 ENSAIO DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO NA FLEXÃO DAS ARGAMASSAS .................................... ..120

5.7 MÉTODOS DE DETERMINAÇÃO DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DO CONCRETO E DO SISTEMA

CONCRETO/REPARO................................................................................................................................121

5.7.1 ENSAIO DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO NA FLEXÃO DO CONCRETO...............................................122

5.7.2 COMPORTAMENTO DA ADERÊNCIA DE ARGAMASSAS AO SUBSTRATO............................... ......125

5.7.2.1 RESISTÊNCIA DE ADERÊNCIA AO CISALHAMENTO NA FLEXÃO.................................................125

CAPÍTULO 6. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DE RESULTADOS ................................................... 131

6.1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................................... 131

6.2 COMPORTAMENTO MECÂNICO DO CONCRETO E DAS ARGAMASSAS ........................................ 131

6.2.1 RESUMO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DAS ARGAMASSAS NA COMPRESSÃO AXIAL .......... 136

6.2.2 COMPORTAMENTO SOB COMPRESSÃO DIAMETRAL ................................................................. 138

6.2.3 COMPORTAMENTO SOB TRAÇÃO DIRETA ................................................................................ 140

6.2.3.1 RESUMO DAS PROPRIEDADES DAS ARGAMASSAS NA TRAÇÃO DIRETA .................................... 141

6.2.4 COMPORTAMENTO SOB TRAÇÃO NA FLEXÃO DAS ARGAMASSAS DE REPARO .......................... 142

6.2.4.1 RESUMO DAS PROPRIEDADES DAS ARGAMASSAS SOB TRAÇÃO NA FLEXÃO ............................ 143

6.3 COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS OBTIDOS NA COMPRESSÃO DAS ARGAMASSAS EM RELAÇÃO

AO CONCRETO DO SUBSTRATO ............................................................................................................. .145

6.3.1 RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO AXIAL DAS ARGAMASSAS EM RELAÇÃO AO SUBSTRATO ........ ..146

6.3.2 MÓDULO DE ELASTICIDADE DAS ARGAMASSAS EM RELAÇÃO AO SUBSTRATO ........................ 147

6.4 COMPORTAMENTO MECÂNICO E DA ADERÊNCIA DO SISTEMA REPARO/SUBSTRARO ............... 149

6.4.1 COMPORTAMENTO MECÂNICO DO SISTEMA REPARO/SUBSTRATO ATRAVÉS DO ENSAIO DE

FLEXÃO A QUATRO PONTOS (ABNT NBR 12142:1994)... .................................................................... 149

6.4.2 COMPORTAMENTO DA ADERÊNCIA AO CISALHAMENTO NA FLEXÃO DAS VIGAS

MONOLÍTICAS E COM REPARO (AFNOR NF P 18-851:1992) ............................................................... 160

CAPÍTULO 7. CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................................................................... 166

7.1 CONCLUSÕES ......................................................................................................................... 166

7.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................................................ 168

REFERÊNCIAS E BIBLIOGRAFIA CONSULTADA ...................................................................... 170

21

CCaappííttuulloo 11..

IINNTTRROODDUUÇÇÃÃOO

1.1 Motivação

Pesquisas envolvendo a utilização do cimento geopolimérico na construção civil

estão sendo realizadas em vários países, a exemplo de França, Espanha, Portugal, Austrália,

Estados Unidos, África do Sul e Brasil, sendo que os maiores avanços científicos e

tecnológicos alcançados até o momento ocorreram neste último país. No Brasil, esses

avanços vieram de pesquisas realizadas principalmente no IME (Instituto Militar de

Engenharia), onde foram estudadas algumas propriedades importantes do concreto

geopolimérico, tais como: microestrutura, aderência ao aço no concreto armado, quando

aplicados em pisos industriais, pavimentação, proteção balística, obras portuárias e

marítimas e outros tipos de aplicações em que as exigências de desempenho são mais

severas no que diz respeito à durabilidade a agentes químicos agressivos.

Os resultados obtidos, referidos na bibliografia consultada, indicam uma

versatilidade do Concreto com Cimento Geopolimérico, motivando esse proponente a dar

continuidade na pesquisa desse material (cimento geopolimérico). Um estudo do

comportamento de tal material como argamassa no reparo de estruturas deterioradas se faz

necessário para que sua futura aplicação na construção civil seja confiável, especialmente

na área de reparo/recuperação/reforço de estruturas.

1.2 Justificativa

O presente projeto apresenta contribuições nos âmbitos científico, tecnológico,

institucional e ambiental, sendo fácil comprovar a necessidade de estudo que contribua para

a utilização do cimento geopolimérico no país, tendo por base as matérias-primas

disponíveis.

1.2.1 Aspectos científicos

Estudos sobre desenvolvimento de novos materiais, caracterização e emprego do

cimento geopolimérico na construção civil (pastas, argamassas e concretos) já foram

22

objetos de vários trabalhos (DIAS, 2001; SKAF, 2008; THOMAZ, 2000), no entanto, não

conseguiram descrever satisfatoriamente o desempenho mecânico de tal cimento em função

das variáveis interferentes observadas. Thomaz (2000) fez estudo de dosagem dos

componentes do concreto geopolimérico avaliando as propriedades mecânicas do concreto

geopolimérico; Dias (2001) fez avaliação da aderência de barras de aço embutidas numa

matriz de concreto com cimento geopolimérico, a fim de contribuir para a elaboração de

leis confiáveis que se ajustem à literatura científica e às recomendações de normas

internacionais, visando sua aplicação na construção civil; e Skaf (2008) estudou como a

matéria-prima influenciava na microesturura e comportamento mecânico de compósitos

geopoliméricos.

O presente projeto traz o estudo das propriedades mecânicas e de aderência entre

o concreto de cimento Portland e argamassas de cimentos geopoliméricos com diferentes

idades, sendo o último utilizado no reparo de estruturas degradadas. Dessa forma, o

trabalho contribui com os estudos já realizados nessa área.

1.2.2 Aspectos tecnológicos

O desenvolvimento de tecnologias de produção do cimento geopolimérico no

âmbito nacional é de fundamental importância para atender às demandas do mercado

interno de novos materiais, em especial no que se refere às matérias-primas e aos produtos

utilizados em reparo, reforço e recuperação de estruturas de concreto armado.

1.2.3 Aspectos referentes a apoios institucionais

Instituições que apóiam este projeto de pesquisa: CAPES (Coordenação de

Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior), através do PROCAD (Programa Nacional

de Cooperação Acadêmica); UFBa (Universidade Federal da Bahia), através da orientação

da Profª Dra. Vanessa Silveira Silva, do DCTM (Departamento de Ciências e Tecnologia

dos Materiais); UENF (Universidade Estadual do Norte Fluminense), através da co-

orientação do Prof. Dr. Dylmar Penteado Dias, do LECIV (Laboratório de Engenharia

Civil); UFRJ (Universidade Federal do Rio de Janeiro), através da colaboração do Prof. Dr.

Marcos Martinez Silvoso, do LABEST/COPPE (Laboratório de Estruturas).

Os pesquisadores vinculados a este projeto possuem amplos conhecimentos e

experiência em pesquisas científicas na área de materiais cimentícios e geopoliméricos.

23

1.2.4 Aspectos ambientais

A necessidade de redução de consumo de energia e de emissão de CO2 é uma

exigência constante na indústria de cimento Portland, forçando a melhoria da eficiência dos

processos de fabricação, assim como o aproveitamento de resíduos e subprodutos de outras

indústrias como adição.

O clínquer de cimento Portland é fabricado a partir da calcinação do calcário e de

sílica de acordo com a seguinte reação:

5CaCO3 + 2SiO2 → (3 CaO2SiO2) + (2 CaO2SiO2) + 5CO2

Na produção de 1 tonelada de cimento Portland (que necessita de 1,5 tonelada de

calcário), é gerada diretamente 0,55 tonelada de dióxido de carbono (CO2) químico, mais

0,12 tonelada de CO2, referente à queima de combustíveis fósseis. Simplificando:

1 t de cimento Portland ≅ 0,67 t de CO2, segundo Torgal e Jalali (2007).

O CO2 é um dos mais importantes gases causadores do efeito estufa. O CO2 é

acumulado na atmosfera e retém o calor que a Terra precisaria refletir de volta para o

espaço a fim de manter sua temperatura, ou mesmo baixá-la a valores de décadas atrás.

É nesse ponto que o cimento geopolimérico supera em muito o cimento Portland,

pois sua principal vantagem é a redução da emissão de CO2 na fase de produção (sem

liberação de CO2 por descarbonização do calcário (CaCO3) e sem necessidade de altas

temperaturas para produção do clínquer) (DAVIDOVITS, 1994).)

1.3 Objetivo Geral

Esta pesquisa teve como objetivo geral avaliar o comportamento mecânico e a

aderência do sistema substrato/reparo, na busca de um melhor conhecimento teórico-

experimental a respeito da aderência entre esses materiais.

1.4 Objetivos Específicos

São objetivos específicos desta pesquisa:

1. obtenção e caracterização do metacaulim (matéria-prima para produção do

cimento geopolimérico);

24

2. estudo de dosagem da argamassa de reparo com cimento geopolimérico, da

argamassa de reparo de referência e do concreto com cimento Portland

(substrato);

3. avaliação mecânica das argamassas de reparo e do concreto de substrato;

4. estudo comparativo do desempenho quanto à aderência das diferentes

argamassas de reparo com cimento geopolimérico e à argamassa de

referência aplicadas em substrato de concreto convencional.

1.5 Metodologia

A metodologia é de caráter descritivo e de avaliação, do tipo experimental e

quantitativo, em que as amostras ensaiadas e analisadas tiveram como limitação o tempo e

os custos. Os dados experimentais foram tabulados e tratados estatisticamente, através das

medidas de dispersões e de tendência central. Foi realizada uma revisão bibliográfica

através de livros, artigos, dissertações de mestrado e de teses de doutorado sobre

aglomerantes (cimento geopolimérico), erros construtivos, técnicas de reparos de estruturas

e de propriedades mecânicas e de aderência entre materiais de diferentes idades.

Primeiro foi realizada a caracterização físico-química e mecânica dos materiais

utilizados nas misturas. Em seguida, após a obtenção das dosagens de referência do

concreto e das argamassas, essas misturas foram, então, produzidas e moldadas no LECIV -

Laboratório de Engenharia Civil da UENF. O comportamento dos materiais e das misturas

foi avaliado através de ensaios experimentais no estado endurecido, realizados no LABEST

- Laboratório de Estruturas da COPPE/UFRJ.

Por último, fez-se um comparativo entre os resultados obtidos

experimentalmente e os resultados teóricos relacionados ao concreto, às argamassas

geopoliméricas, à argamassa de referência e ao sistema substrato/reparo.

1.6 Estrutura do trabalho

Esta dissertação está estruturada em sete capítulos. No Capítulo 1, apresentam-se

a motivação, as justificativas e os objetivos da pesquisa. No Capítulo 2, faz-se uma revisão

das patologias das construções que, quando recorrentes, levam ao estudo das reabilitações

de construções, fazendo alusão à durabilidade e ao reparo em estruturas de concreto, aos

25

tipos de argamassas de reparo e ao fenômeno da “aderência” entre reparo e substrato. No

Capítulo 3, apresenta-se a revisão da bibliografia sobre argamassa geopolimérica, fazendo-

se breve histórico da obtenção e caracterização do geopolímero (matéria-prima), sua

estrutura e propriedades, além de uma revisão sobre a álcali-ativação.

No Capítulo 4, inicia-se o programa experimental, em que são relatados o

resultado e a análise de caracterização da matéria-prima dos geopolímeros. No capítulo

seguinte, o programa experimental continua, explanando o que foi verificado quanto ao

comportamento mecânico e de aderência do sistema. É no capítulo 5, portanto, que os

métodos de ensaios realizados são relatados. No Capítulo 6, são apresentados e analisados

os resultados do comportamento mecânico e aderência dos materiais, das argamassas, do

concreto e do sistema reparo/substrato. Por fim, no sétimo, são colocadas as principais

conclusões obtidas a partir da pesquisa, havendo uma explanação de sugestões para

trabalhos futuros.

26

CCaappííttuulloo 22..

PPRROOPPRRIIEEDDAADDEESS EE CCOOMMPPOORRTTAAMMEENNTTOOSS MMEECCÂÂNNIICCOO EE DDEE

AADDEERRÊÊNNCCIIAA DDOOSS MMAATTEERRIIAAIISS..

2.1 Considerações Gerais

O nosso planeta enfrenta hoje um desafio ambiental, cuja falta de atitude

imediata poderá vir a ditar o fim da civilização humana tal como a conhecemos, conforme

cita Torgal e Jalali (2007). Em termos ambientais, a ação do homem tem sido muito

prejudicial à natureza, principalmente por conta do consumismo e da poluição, que têm

acontecido numa “lógica” de devastação nunca antes observada. Isso acontece em um

cenário onde somente alguns parecem ter o direito de consumir e poluir (com apenas 5% da

população mundial, os Estados Unidos consomem cerca de um terço dos materiais do

planeta). O alto consumo da civilização humana revela atualmente dimensões

intergeográficas, produzindo conseqüências noutros países e afetando futuras

gerações. Investigadores acreditam não ser mais possível evitar um ciclo

interminável de catástrofes naturais para que num prazo de 100 anos a

humanidade possa ficar reduzida a aproximadamente 20% da população atual.

Um relatório do IPPC (Painel Intergovernamental sobre Alterações Climáticas)

refere qualquer coisa como 200 milhões de refugiados, em conseqüência da

provável subida do nível da água do mar. As preocupações ambientais da

sociedade começaram a ganhar maior relevo após a realização em 1972 da

Conferência das Nações Unidas sobre o Ambiente em Estocolmo. Contudo

somente em 1987 adquiriram uma perspectiva mais incisiva, a partir da

publicação do Relatório "Our common future", mais mediatizado como relatório

Bruntland, e onde pela primeira vez aparece consignada a expressão do

desenvolvimento sustentável, como aquele que "permite satisfazer as

necessidades do presente sem comprometer as possibilidades das gerações futuras

satisfazerem as suas". Posteriormente em 1992, na Conferência do Rio, em que

estiveram presentes 176 países e 102 Chefes de Estado e de Governo, foram

aprovados por unanimidade a Declaração do Rio sobre o Ambiente e

Desenvolvimento, a Declaração de Princípios Sobre as Florestas e a Agenda 21,

bem como a Convenção Sobre as Alterações Climáticas e a Convenção Sobre a

27

Diversidade Biológica. Em 1993 a União Européia desenvolveu o 5º Programa

para o Ambiente e Desenvolvimento, no qual se estabeleceu a necessidade de

uma maior abrangência das políticas do ambiente. Na seqüência dos

compromissos assumidos por Portugal no âmbito da Agenda 21, foi elaborado em

2002 um documento intitulado ENDS - Estratégia Nacional para o

Desenvolvimento Sustentável, o qual foi recentemente atualizado até o ano 2015.

Este consiste num conjunto coordenado de atuações nas dimensões Econômica,

Social e Ambiental, permitindo assegurar um crescimento econômico célere e

vigoroso, uma maior coesão social e um elevado e crescente nível de proteção e

valorização do ambiente (TORGAL e JALALI, 2007).

A ameaça da alteração do clima na Terra, responsável nas últimas décadas por

inúmeras catástrofes naturais que resultaram em perdas de milhares de vidas e avultados

prejuízos econômicos, é um dos grandes desafios ambientais que a sociedade atual tem que

enfrentar. Para essa ameaça, muito contribuem as emissões de gases responsáveis pelo

aumento do efeito estufa (GEE – Gás de Efeito Estufa), sendo o dióxido de carbono um dos

gases que mais contribuem para esse aquecimento, com uma percentagem de 60% do total,

provenientes fundamentalmente do uso intensivo de combustíveis fósseis, da deflorestação

e da indústria do cimento.

É a indústria da construção civil a atividade humana que mais degrada e causa os

maiores impactos ao meio ambiente. Na produção do ambiente construído e em toda sua

cadeia produtiva, são gerados impactos negativos em diversas esferas, desde as sociais à

ambiental. Sozinha, essa indústria é a maior consumidora global de recursos naturais, além

de ser poluidora, a exemplo do que ocorre com o cimento, que, em sua produção, responde

por 7,9% da emissão de CO2 na atmosfera (RESCHKE et al., 2005). No cenário

internacional estima-se que para cada tonelada de clínquer produzido, seja gerado cerca de

uma tonelada de CO2 (METHA, 1999 apud GONÇALVES, 2005). No Brasil, levando-se

em consideração as características de sua matriz energética, estudo desenvolvido por

Gonçalves (2005), utilizando dados de 2001, verificou-se que para cada tonelada de

clínquer produzido, a quantidade gerada é de 651 Kg de CO2/tonelada de cimento. A Figura

2.1 apresenta a participação da América Latina em termos de emissões de GEE,

correspondendo a uma das mais baixas emissões, com 621 kg de CO2/tonelada de cimento

(ABCP, 2006). Segundo Torgal e Jalali (2007), a indústria da construção mundial consome

28

mais matérias-primas que qualquer outra atividade econômica (aproximadamente 3000

Mt/ano, quase 50% em massa). O aumento da população mundial e as necessidades

implícitas, tais como de novas infraestruturas e de novas construções e edificações,

agravará ainda mais o consumo de matérias-primas não renováveis, bem como a produção

de resíduos.

Figura 2.1 – Participação da América Latina, em maior parte representada pelo Brasil, como uma das mais

baixas emissões de CO2/toneladas de cimento (Fonte: ABCP, 2006).

A indústria de cimento, atualmente, faz substituição parcial do clínquer por

subprodutos com características pozolânicas, tais como cinzas volantes, escórias de alto

forno, resíduos da indústria de craqueamento de petróleo, resíduos de minas e pedreiras, de

maneira a minimizar os níveis de emissões e, consequentemente, reduzir seus custos. Ainda

assim, o potencial de redução de emissões obtido dessa forma é bastante limitado. A

comunidade científica tem investido muito na pesquisa e no desenvolvimento de ligantes

alternativos ao cimento Portland que desenvolvam um melhor desempenho, quer em termos

ambientais quer em durabilidade, mas que não conseguiram até agora se afirmar como

substitutos efetivos ao cimento Portland, devido, em parte, ao baixo custo deste cimento em

relação a outros aglomerantes em escala comercial (TORGAL e JALALI, 2007).

29

2.2 Patologias das Construções

Os problemas patológicos nas construções não dizem respeito somente aos

conceitos de engenharia; podem estar relacionados ao descaso na concepção ou

desconhecimento em relação às características e comportamentos dos materiais, também a

possíveis interferências do meio ao qual estará exposta a edificação.

Outros focos de surgimento de problemas patológicos estão relacionados à fase

de execução por parte dos profissionais, pela utilização da estrutura, pela não realização de

manutenções ou quando a deterioração é causada pelo mau uso da edificação.

Em vista dessa problemática, a cada dia é ratificada a necessidade do amplo

conhecimento das características de todos os materiais envolvidos no processo construtivo,

bem como no reparo, restauro, recuperação e reforço de estruturas de concreto. Atrelada a

essa corrente, segue a necessidade da conscientização do conceito de durabilidade, pois

nenhum material é indefinidamente durável, uma vez que suas características e

propriedades são alteradas com o passar do tempo.

Em resposta a essas observações, haverá certamente uma minimização de custos,

tanto na produção como em eventuais manutenções nas estruturas.

Segundo Aranha (1994), as manifestações patológicas referentes à execução

representam as maiores incidências de danos na construção civil, pois estudos foram

realizados em seis estados brasileiros (Amapá, Amazonas, Maranhão, Pará, Rondônia e

Roraima) comprovando que uma elevada porcentagem das manifestações patológicas tem

origem nesta etapa, diferentemente do que ocorre em países da Europa, que atribuem à

etapa de projeto (em que grande variedade de ações pode ser tomada) a responsabilidade

pela maioria das manifestações patológicas ocorrentes (Figura 2.2). As falhas de projeto

são, em geral, mais graves do que as falhas de qualidade dos materiais ou de má execução.

É sempre preferível investir mais tempo no detalhamento e nos estudos da estrutura do que,

por falta de previsão, tomar decisões apressadas ou adaptadas durante a execução.

A constante busca por soluções de problemas enfrentados diariamente em

canteiros de obras é o fator que move diversas pesquisas em níveis nacionais e

internacionais; entretanto, apesar de grandes avanços, muitos destes problemas ainda

persistem.

30

Figura 2.2 – Distribuição das origens dos problemas patológicos com relação às etapas de produção

das obras civis. Fonte: Aranha (1994).

Outros pesquisadores, a exemplo de Dórea e Silva (1999), apresentam um

resumo das origens das patologias em estruturas de concreto armado em várias regiões

brasileiras, onde se constatou, também, que a fase de execução é a principal responsável

por tais patologias (Tabela 2.1).

Portanto, deve-se dar mais atenção à etapa de execução, responsável pelo grande

número de ocorrências da origem dos problemas patológicos, com o intuito de obter

melhorias quanto à qualidade das estruturas na construção civil.

Tabela 2.1: Índices de patologias em estruturas de concreto armado no Brasil (Dórea e Silva, 1999).

Regiões/Estados Norte/Nordeste

(Amazônia) (1994)

Nordeste (Pernambuco)

(1998)

Sudeste (1988)

Centro Oeste (GO, MS e

MT) (1996)

Centro – Oeste (DF – Brasília)

(1996) Média

No de casos estudados 348 189 709 155 246 Origem das falhas (%) Planejamento/Projeto 30 44 18 22 24 28 Materiais 5 3 6 9 1 5 Execução 39 41 52 48 46 45 Uso 26 12 14 2 3 11 Manutenção - - 7 1 25 7 Outras - - 3 6 1 2

31

Após a análise realizada por Andrade (1997) quanto à distribuição das diversas

origens das manifestações patológicas em estruturas de concreto, verificou-se que a maioria

dos problemas patológicos é corrigida empregando sistemas de reparo (83%), conforme

verificado na Figura 2.3.

Figura 2.3 – Distribuição dos métodos de reabilitação empregados nas estruturas. Fonte: Andrade

(1997).

Com o objetivo de contribuir com o método mais utilizado de reabilitação das

estruturas, o reparo, o presente trabalho estuda o uso de argamassas geopoliméricas no

reparo de estruturas de concreto.

2.3 Durabilidade e Reparo em Estruturas de Concreto

É essencial que as estruturas de concreto desempenhem as funções que lhe foram

atribuídas, que mantenham a resistência e a utilidade que delas se espera durante um

período de vida previsto ou, pelo menos, razoável. Logo, uma vida útil longa pode ser

considerada sinônimo de durabilidade, consequentemente, sem necessidade de reparos.

A durabilidade inadequada manifesta-se por uma deterioração que pode ser

originada por fatores externos ou por causas internas do próprio concreto (ANDRADE,

1997). As diferentes formas de ação podem ser físicas, químicas ou mecânicas. As causas

32

de deterioração mecânica podem ser: impacto, abrasão, erosão ou cavitação. As causas

químicas de deterioração podem incluir as reações álcali-sílica e álcali-carbonato. O ataque

químico externo ocorre principalmente pela ação de íons agressivos, como cloretos, ácidos,

sulfatos ou dióxido de carbono e muitos líquidos e gases naturais ou industriais. As causas

físicas de deterioração compreendem os efeitos de altas temperaturas, diferenças de

coeficientes de dilatação térmica do agregado e da pasta de cimento hidratado (NEVILLE,

1997).

Quanto maior for a durabilidade de uma estrutura, maior será a sua vida útil e,

consequentemente, menor será sua degradação precoce e o seu impacto ambiental. Se, por

exemplo, a durabilidade do concreto é aumentada de 50 para 500 anos, há uma redução do

seu impacto ambiental de um fator de 10 vezes (TORGAL e JALALI, 2007). Infelizmente

são inúmeros os casos de deterioração precoce de estruturas de concreto armado,

necessitando de reparos para recuperação e/ou reforço estrutural. Mehta (2008) cita um

caso de deterioração de estacas 12 anos após a sua construção e também o caso de um túnel

em Dubai que, concluído em 1975, teve de ser completamente reparado em 1986. Há

referências também (TORGAL e JALALI, 2007) que indicam um estudo sobre pontes

construídas na Noruega após 1970, em que 25% delas apresentavam deterioração por

corrosão de armaduras. Torgal e Jalali (2007) indicam ainda que 40% das cerca de 600.000

pontes existentes nos Estados Unidos estariam afetadas pela corrosão, com um custo de

reparação de aproximadamente 50.000 milhões de dólares. A vulnerabilidade deste material

(concreto) fica a dever muito ao material ligante (cimento Portland), que apresenta uma

elevada quantidade de cal, facilmente susceptível de ataque químico, situação agravada

pela baixa capacidade da pasta de cimento Portland em conseguir uma boa aderência aos

agregados, o que induz níveis de permeabilidade relativamente elevados, facilitando o

ingresso de água, gases e substâncias agressivas, que provocam fenômenos de carbonatação

e de corrosão das armaduras. A utilização, por isso, de ligantes alternativos ao cimento

Portland com uma durabilidade superior a este material, como é o caso dos ligantes

ativados alcalinamente (geopolímero), constitui um passo no sentido da sustentabilidade da

construção.

Existem várias tecnologias de reparo de estruturas, cada uma com suas

aplicações específicas, variando de acordo com o mecanismo que predomina na

33

deterioração ou a depender de como a estrutura se encontra. Tais tecnologias podem ser

relacionadas a intervenções que visam à proteção de elementos estruturais e seu reparo

superficial, recompondo a seção transversal do elemento e sua estética, ou reforçando a

estrutura para recomposição da capacidade de carga ou mesmo para seu reforço.

2.4 Argamassas de Reparo

Manutenção e reparação estão se tornando uma parte cada vez mais importante

na concepção e construção de empreendimentos residenciais, comerciais, industriais e de

infraestrutura. No caso das estruturas de concreto, estas são passíveis da ação de agentes

deletérios. Segundo Cabral (2000), os reparos devem ser realizados a depender dos danos e

da avaliação da estrutura, podendo, então, ser necessária a reconstrução parcial dos

elementos danificados. Quando as estruturas estiverem em estado avançado de deterioração

química e física, os reparos podem ser insuficientes, necessitando de recuperação parcial

dos elementos danificados.

Várias são as classificações das recuperações de estruturas em que aparecem os

reparos; entre elas, estão as de Aranha (1994), que diz ser o sistema de reparo aquele no

qual não há necessidade de incremento de aço ou seção dos elementos estruturais, repondo

apenas as condições iniciais do concreto. Segundo Aranha (1994), materiais de reparo

devem possuir propriedades afins ao reparado, principalmente devido aos problemas de

aderência e de compatibilidade entre o concreto da estrutura e o novo material de reparo,

concreto ou argamassa.

Segundo Ripper e Souza (1998), são denominados trabalhos de reparo da

estrutura serviços executados sem introdução de materiais com finalidade de aumentar ou

de reconstituir a capacidade portante dessa estrutura, caso contrário, são denominados de

reforço.

Os reparos podem ser classificados em rasos (podendo ser classificados ainda em

de pequena ou de grandes áreas, de acordo com a dimensão da área a intervir),

semiprofundos e profundos (RIPPER e SOUZA, 1998). Assim:

a. reparos rasos: profundidade inferior a 2 cm;

i. de pequenas áreas: executados em superfícies de até 15 cm2;

ii. de grandes áreas: demais casos.

34

b. reparos semiprofundos: profundidade entre 2 e 5 cm, normalmente atingem

as armaduras no concreto armado;

c. reparos profundos: atingem profundidades superiores a 5 cm.

Canovas (1994) classifica os materiais de reparo em três grandes grupos:

a. materiais de base inorgânica: esses materiais de reparo podem ser à base

de materiais inorgânicos tradicionais (fundamentalmente o aglomerante é

o cimento Portland, como é o caso do graute) ou não tradicionais (como é

o caso das argamassas geopoliméricas);

b. materiais de base orgânica: esses materiais de reparo podem ser à base de

materiais tais como: resinas epoxídicas, poliéster, poliuretanos etc.

c. materiais de base mista: são materiais que têm por base cimentos

inorgânicos, geralmente Portland. As resinas que entram na sua

composição podem ser: acrílicas, estireno-butadieno, acetato de

polivinila, acrilamidas etc.

Segundo Ripper e Souza (1998), vários tipos de materiais para reparo podem ser

utilizados para reparos superficiais de qualquer área; as argamassas são exemplos disso

(como o graute), mas destacam-se apenas para pequenas profundidades, mantendo-se certa

relação com a área. Normalmente, são empregadas para os casos em que a camada de

concreto de cobrimento das armaduras está deteriorada.

Os grautes podem se divididos em: de base mineral e de base orgânica, segundo

Helene (1992). Grautes de base mineral: são constituídos de cimento Portland CP 32, CP

40 ou ARI, agregados selecionados de granulometria adequada, aditivos expansores

(visando compensar a retração) e aditivos superplastificantes (para proporcionar alta fluidez

ao produto e aumentar a aderência do material ao substrato). Os grautes podem receber

adições de polímeros, que têm como função melhorar certas características, como: diminuir

permeabilidade e melhorar a aderência ao substrato. Grautes de base orgânica: os mais

utilizados são à base de resina epóxi, combinados com endurecedores à base de aminas e

poliamidas, agregados de granulometria adequada. Normalmente, possuem elevada

35

resistência mecânica e química, tendo sua aplicação favorecida em ambientes de alta

agressividade.

O material a ser utilizado dependerá da natureza do serviço, das causas que o

tornaram necessário e da finalidade do elemento estrutural. A argamassa a ser utilizada em

reparos superficiais de concreto deve ser definida, basicamente, em função da deterioração

ocorrida, na qualidade final desejada e no custo.

Morgan (1996), estudando compatibilidade de materiais de reparo em estruturas

de concreto, sugere uma abordagem holística na seleção dos materiais de reparação para um

determinado sistema. Dessa maneira, todos os parâmetros que influenciem na durabilidade

do reparo devem ser levados em consideração na concepção e execução do reparo, tais

como: compatibilidade dimensional, estrutural e mecânica (carga), química e

eletroquímica; permeabilidade e aderência. Essas propriedades devem ser levadas em

consideração no projeto de reparação. A influência dos parâmetros externos – tais como

ambiente, conformação da superfície do substrato, condições de umidade, cargas aplicadas,

exposição a substâncias químicas – também deve ser observada antes de escolher o material

de reparo.

A compatibilidade estrutural e mecânica entre os materiais de reparo e substrato

foi analisada por Morgan (1996), definindo dois tipos diferentes de reparos: não estrutural,

em que a capacidade de suporte de carga não é uma consideração importante para a

reparação, e o estrutural, em que a adesão do reparo é necessária para o desempenho da

estrutura requerida pelo concreto removido. Os requisitos para reparos estruturais são

diferentes e mais complexos do que para não estruturais. Várias são as propriedades, além

da compatibilidade, que devem ser destacadas quando se trata de reparos, a exemplo da

retração e dos efeitos térmicos que podem ocorrer em reparos não estruturais. As

incompatibilidades em serviço podem se desenvolver em reparos estruturais em virtude de

efeitos como módulo de elasticidade e fluência entre o material de reparo e o substrato de

concreto. Alguns requisitos para a compatibilidade dos materiais de reparo são sugeridos,

tais como:

1. resistência à compressão, tração e à flexão superior ao do concreto do

substrato;

36

2. material de reparo deve ter aproximadamente o mesmo módulo de

elasticidade do concreto do substrato; materiais de reparação com rigidez

excessivamente elevada (módulo de elasticidade) devem ser evitados, pois

podem causar, na área reparada, concentração de carga indevida.

Segundo Dal Molin et al. (2000), a argamassa de reparo deve ter compatibilidade

mecânica com o concreto de reparo, além de resistência à compressão e à tração, módulo de

deformação, coeficiente de dilatação térmica, estabilidade volumétrica e aderência entre

outras propriedades, compatíveis com o substrato onde o reparo se aplica.

A avaliação do comportamento mecânico das argamassas de reparo é utilizada

para estabelecer critérios que influenciem no desempenho desses materiais quando em uso.

Portanto, algumas de suas propriedades devem ser conhecidas para sua escolha no sistema a

ser reparado. A resistência à compressão é uma delas, e é nela que se verifica a eficácia em

termos de capacidade de carga. Outras avaliações em termos de comportamento também

devem ser avaliadas, tais como: coeficiente de dilatação térmica, retração, fluência,

permeabilidade, módulo de elasticidade (para conhecer sua rigidez) e comportamento à

tração na flexão (para conhecer sua deformação e a aderência ao substrato).

As falhas dos reparos geralmente ocorrem nas fronteiras substrato/reparo

(MORENO e SELMO, 2007), devido à combinação de fissuras, deformações térmicas

diferenciais e cargas aplicadas. As argamassas de reparo devem apresentar adequada

capacidade de deformação, compatível com a deformação do substrato. Por isso, além da

resistência de aderência da argamassa ao substrato, espera-se que o material de reparo

apresente módulo de elasticidade o mais próximo possível do concreto reparado.

Decisões complexas têm de ser tomadas na seleção dos sistemas de reabilitação

das construções e dos materiais de reparação, tais como na escolha das argamassas de

reparo. A compatibilidade do material de reparação com o substrato existente é uma

consideração importante na escolha de materiais de reparo duráveis. Para essa escolha, deve

ser atentada a importância da compatibilidade dimensional, de vínculo estrutural, mecânica,

eletroquímica e compatibilidade de permeabilidade, além da necessidade de preparação da

superfície.

Segundo Bertolo e Selmo (2005 apud GAIER, 2005), no Brasil, nem

especialistas nem a cadeia produtiva na área da construção civil – fornecedores e

37

construtores – conseguiram, ainda, juntando suas experiências, elaborar uma normalização

que siga de referência à especificação de argamassas de reparo e procedimentos para

execução dos serviços de reparos; isso tem dificultado tanto os fornecedores como os

executores a padronizar procedimentos visando desempenho. Órgãos como ABCP

(Associação Brasileira de Cimento Portland) têm investido na busca e desenvolvimento de

produtos cada vez mais duráveis, confiáveis e competitivos.

O Grupo Español del Hormigon – GEHO (1989 apud SILVA JUNIOR e

HELENE, 2001), após estudos realizados com argamassas européias, sugeriu as

especificações e os limites das propriedades das argamassas para reparo apresentadas na

Tabela 2.2.

Tabela 2.2: Propriedades mecânicas típicas para materiais de reparo (MAY e WILKINSON, 1987 apud MORGAN, 1996).

Propriedades Argamassas à base de cimento

Argamassas à base de cimentos - polímeros

Argamassas à base de resinas

epóxi

Argamassas à base de poliéster

Resistência à compressão (MPa) 20,0 – 70,0 10,0 – 60,0 55,0 – 110,0 55,0 – 110,0 Resistência à tração (MPa) 1,5 – 3,5 2,0 – 8,0 9,0 – 29,0 2,0 – 9,0 Resistência à flexão (MPa) 2,0 – 5,0 6,0 – 15,0 9,0 – 29,0 8,0 – 17,0 Módulo de deformação (GPa) 20,0 – 30,0 1,0 – 30,0 0,5 – 20,0 8,0 – 17,0 * Fonte: Modificada de Silva Junior, 2001.

Silva Junior (2001 apud MATTOS, 2002) sugere que as argamassas de reparo

devam possuir os níveis mínimos de valores nas propriedades mais importantes, conforme

citado na Tabela 2.3.

Tabela 2.3: Níveis mínimos para propriedades das argamassas de reparo.

Propriedades Valor mínimo

Resistência à compressão 10,0 MPa Resistência à flexão 2,0 MPa Resistência à tração 1,0 MPa Módulo de deformação 5,0 GPa

* Fonte: Modificada de Silva Junior (2001).

Pena (2004), na sua revisão bibliográfica realizada a respeito dos requisitos e

critérios para as argamassas de reparo, verificou que as referências mais completas sobre o

tema têm sido publicadas nos Estados Unidos e na Europa; observou ainda que, em

38

comum, os trabalhos afirmavam sobre as dificuldades envolvidas em se conseguir critérios

de desempenho adequados para os reparos. Na Tabela 2.4, apresenta-se uma das primeiras

referências existentes sobre requisitos para o bom desempenho de reparos na tentativa de

definir um material para reparo localizado ideal.

Tabela 2.4: Requisitos gerais de materiais destinados ao reparo localizado de estruturas (EMBERSON e MAYS, 1990 apud PENA, 2004).

Propriedades Relação do reparo (R) e substrato - concreto (C)

Retração R < C Coeficiente de fluência (para reparos em compressão) R < C Coeficiente de fluência (para reparos em tração) R > C Coeficiente de expansão térmica R = C Módulo de elasticidade e Coeficiente de Poisson R = C Resistência à tração, Desempenho à fadiga e Adesão R > C Porosidade e resistividade R = C Reatividade química R < C

* Fonte: Manuel Ramón Grullón Peňa, 2004.

As pesquisas citadas, mesmo sendo extremamente importantes para o

conhecimento e evolução dos critérios de escolha das argamassas de reparo e do

conhecimento das propriedades mais importantes, não abordaram uma das propriedades

mais importantes: a aderência entre o reparo e o substrato. Daí, no intuito de preencher essa

lacuna, o trabalho aqui proposto se justifica.

2.5 Aderência

Definição

Aderência, segundo Moreno e Selmo (2007), é um termo genérico usado para

descrever tanto a resistência mecânica como a extensão do espalhamento ou contato entre a

argamassa de reparo no estado endurecido e o substrato poroso. A aderência é a

propriedade, no sistema de reparo, responsável pelas restrições às deformações, sendo o

mecanismo que permite a transferência de tensões na interface, fazendo com que, no

sistema reparo/substrato, a estrutura apresente deformações homogêneas e compatíveis

(MEDEIROS e SELMO, 2000).

39

Para Moreno e Selmo (2007), a aderência é uma propriedade muito importante

para qualquer sistema de reparo/reforço, pois a deficiência dessa propriedade compromete

todo o sistema de restauro, tornando os reparos vulneráveis à permeabilidade, o que facilita

o ingresso de agentes agressivos à estrutura. Conforme Garcia (1998), se a ligação entre o

concreto antigo e o material de reparo for bem feita, o reparo torna-se parte integrante da

estrutura. Porém, o concreto antigo deve oferecer condições favoráveis para o recebimento

desse reparo.

Mecanismo de aderência

Selmo (2007) cita que, ao se analisar o mecanismo de aderência entre duas

superfícies, é importante observar que esse mecanismo se desenvolve em duas etapas

distintas, consecutivas e intrinsecamente correlacionadas. A primeira ocorre ainda no

estado fresco, é a adesão inicial, que acontece quando a argamassa, ainda no estado

plástico, entra em contato com o substrato poroso; a segunda etapa se processa com o

endurecimento da argamassa, definida como a aderência propriamente dita.

Carasek e Djanikian (1997), no que se refere à tecnologia de argamassas, diz que,

ao entrar em contato com o substrato, parte da água utilizada no amassamento das

argamassas é absorvida. Sendo ela rica em constituintes do aglomerante, esses constituintes

em dissolução ou em estado coloidal penetram pelos poros, cavidades ou entre as

rugosidades do substrato, precipitando-se. Esses precipitados intracapilares exercem uma

ação de ancoragem das argamassas ao substrato, sendo assim, observa-se uma aderência

essencialmente mecânica, em que o embricamento mecânico é o grande responsável pela

ligação promovida entre as duas superfícies, mesmo sabendo da existência das forças

intermoleculares, consideradas desprezíveis no caso da aderência entre argamassas e

concreto.

Estudos realizados por Galembeck (1985) apud Mattos (2002) citam os

fenômenos físico-químicos envolvidos na adesão de superfícies, associando o fenômeno da

aderência às forças intermoleculares que surgem nessa região: forças de London, de Van

der Walls, eletrostáticas, estéricas, coordenativas, covalentes, de capilaridade de oclusão e

derivadas de reação ácido-base.

40

Zona de transição do concreto antigo e material de reparo

A zona de transição não é particularidade apenas das superfícies dos agregados,

estando presente também em outras interfaces de compósitos à base de materiais

cimentícios, tais como a região da interface aço-concreto, concreto-concreto e argamassa-

substrato (SANTANA, 2004). Sendo assim, a zona situada na interface entre concretos de

diferentes idades representa a região mais fraca de uma peça reparada/reforçada. Pouca

informação existe sobre a avaliação da zona de transição entre concretos novos e antigos.

Algumas propriedades principais, como porosidade e composição química da zona de

transição entre concretos novo e velho, com o emprego de diferentes aglomerantes, foram

estudados por Gy et al. (2001 apud SANTANA, 2004) com o uso de microscópio

eletrônico de varredura eletrônico, além de investigar a resistência de aderência. Os

resultados mostraram que o aglomerante é um fator importante, afetando morfologia, forma

e tamanho, mineralogia e a microestrutura da zona de transição no concreto

reparado/reforçado, afetando significantemente a resistência de aderência.

Em estudos realizados por Dias (2001), por meio de técnicas de varredura em

linha, realizada em corpos-de-prova, foi detectada grande quantidade de íons Ca +2,

revelando indícios de que maiores quantidades de cristais fracos de portlandita [Ca(OH2)]

foram formados na zonas de transição entre o aço e o concreto, contribuindo, nesse caso,

para a baixa tensão de aderência nessa região. Tal situação pode também ocorrer em zonas

de transição, quando da aderência entre concretos de diferentes idades. Nesses casos, a

ligação entre o concreto novo (ou argamassa nova) e o concreto velho pode ser prejudicada,

pois dar-se-á no local o ponto mais frágil da ligação, que é a zona de interface ou zona de

transição, como pode ser observado na Figura 2.4

Figura 2.4– Zona de transição entre argamassa e concretos de diferentes idades. Fonte: adaptada de

Emmons e Vaysburd (1996 apud SANTANA, 2004).

41

Fagury e Libório (2002) analisaram a ligação entre concretos com cimento

Portland de diferentes idades, composições e resistências. A continuidade dessa ligação é

prejudicada por uma diversidade de fatores, tal como a recuperação de estruturas de

concreto deterioradas. Sob esse ponto de vista, os autores apresentam em seu trabalho uma

análise do comportamento de um sistema de reparos aplicados à recuperação de estruturas,

ligações concretos velhos x concretos novos. Eles observaram, então, que um dos pontos

mais frágeis de uma estrutura reparada é a zona de interface, tanto dos materiais que a

compõe quanto da transição entre os diferentes concretos. Com a finalidade de melhorar a

zona de transição citada, utilizou-se, como sistema de reparo, concretos de elevado

desempenho; percebeu-se, por meio do modo de ruptura, que as transferências de tensões

ocorreram normalmente através do sistema de reparo, sem que houvesse desvio de tensões,

além de um acréscimo de resistência em alguns casos.

Um dos fatores-chave para uma melhor transferência de tensões entre diferentes

concretos ou outros materiais é a melhoria da qualidade da interface material de

reparo/concreto velho.

O mecanismo de transferência de esforços de cisalhamento pela superfície de

contato é semelhante à transferência de esforços da barra de aço para o concreto, por

aderência, condição indispensável a qualquer tipo de reparo bem sucedido, e pode ser

dividido em três parcelas: adesão; atrito e ação mecânica (ARAUJO e DEBS, 2001).

Fatores que influenciam na aderência

As características e propriedades das argamassas de reparo, o procedimento de

aplicação, o tratamento da superfície e o concreto do substrato determinam o sucesso dos

reparos. Segundo Carasek (1996), a aderência inicialmente é determinada pela reologia da

argamassa no estado fresco e pela porosidade do substrato, que define a intensidade do

fenômeno da capilaridade. Moreno e Selmo (2007) realizaram estudo sobre argamassas de

reparo superficial, objetivando estabelecer as variáveis que influenciam no mecanismo de

aderência entre argamassa e substrato. Concluíram, então, que o tratamento do substrato e a

reologia das argamassas, principalmente no que se refere à coesão e à consistência,

determinam o desenvolvimento da aderência entre a argamassa de reparo e o substrato de

concreto.

42

Santana (2004) procurou avaliar a propriedade de aderência entre os concretos de

idades diferentes no comportamento de vigas de concreto recuperadas e/ou reforçadas. Em

seu trabalho, é apresentado um estudo experimental sobre o comportamento de vigas

reparadas de concreto não armadas, variando-se a resistência do concreto de reparo e o tipo

de superfície de contato entre o substrato e o novo material; foram empregados, nesse

estudo, concretos de diferentes classes de resistência. Realizou-se o ensaio de flexão a

quatro pontos para os corpos-de-prova preparados, com resistência do concreto diferente e

tratamento diferenciado de superfícies. Efetuou-se uma análise estatística dos resultados

experimentais a fim de identificar a influência dos dois parâmetros que afetam a

propriedade de aderência concreto-concreto. Os resultados obtidos comprovaram a

influência do tipo de superfície de tratamento e a resistência do material de reparo sobre a

aderência.

Morgan (1996), após estudar pesquisas de autores diversos, descreve que

materiais de reparo à base de cimento Portland (concretos e argamassas) possuem

propriedades adequadas para cada tipo de reparo, a exemplo de uma determinada umidade

para a superfície do substrato, resultando, assim, em uma máxima aderência. Baseado em

experiência própria, o estudioso apresenta, como melhor superfície para receber materiais

de recuperação produzidos com cimento Portland, um substrato úmido com superfície seca.

Tula et al. (2003) afirma que pouco se investe em questões que em muitos casos

são decisivas para o sucesso do reparo, tais como: garantir baixa retração, boa aderência e

compatibilidade dos materiais de reparo com as propriedades mecânicas do substrato e,

ainda, com as mudanças volumétricas, de temperatura e de umidade da estrutura.

Uso de novos materiais como reparo

O uso dos concretos chamado de alto desempenho (a exemplo do concreto

geopolimérico) está tornando obsoleto o uso de reparos feitos à base de resinas epóxi, pois,

sobre a superfície do substrato limpo, rugoso e úmido, consegue-se uma aderência de até

100%.

Nos reparos em estruturas de concreto, a adequada composição de materiais e o

seu amplo conhecimento podem resultar na produção de concreto ou argamassa de elevado

desempenho, a exemplo do que ocorre com a argamassa geopolimérica, apresentando não

43

só uma expectativa muito otimista no que diz respeito à durabilidade do reparo frente a

agentes agressivos, mas também, de acordo com as condições do substrato, apresentando

uma condição de aderência satisfatória, para que se restaure o caráter monolítico da

estrutura.

Nesse sentido, diversos projetos de pesquisa interligando a Engenharia Civil e a

área tecnológica da Ciência e Engenharia de Materiais estão sendo realizados no IME, na

EESC-USP e na UENF, com o desenvolvimento de técnicas e a utilização de novos

materiais para a elaboração de concretos e argamassas mais resistentes e duráveis. A

presente pesquisa visa, portanto, a colaborar para a ampliação do conhecimento nessa área.

Destacam-se aqui as pesquisas realizadas no IME e na UENF, cujos trabalhos

têm a aderência como tema. No primeiro, Dias (2001) analisou a tenacidade à fratura em

concretos de cimento Portland e geopolimérico reforçados com fibras de basalto e estudou

a aderência entre a barra lisa de aço e os concretos de cimento Portland e de cimento

geopolimérico, tendo como resultado o aumento da tenacidade e da adesão com uso do

geopolímero. No segundo, desde o início do ano de 2004, vem desenvolvendo estudos com

geopolímeros, tais como: Estudo da Aderência entre Concretos de diferentes Idades

(SANTANA, 2004); Aço-Concreto Geopolimérico: Correlação entre Tensão de Aderência

e Comprimento de Ancoragem (SOARES, 2006).

Argamassas de reparo com geopolímero

Segundo Torgal et al. (2007), a aderência com argamassas geopoliméricas é uma

das propriedades mais importantes em reparo de estruturas. A aderência não depende

apenas das características do material de reparação, mas também do substrato a ser

reparado e da tensão na interface. Vários métodos de ensaio têm sido propostos para estudo

da aderência, tais como: pull-off, arrancamento, flexão e cisalhamento (reto e inclinado).

Estudos realizados pelo citado autor comprovam que o desempenho dos produtos

comerciais de reparo é muito dependente do tempo de cura e isso constitui um sério

problema quando se necessita da aderência precoce. Além disso, essa adesão depende ainda

do elevado nível de aspereza na superfície do substrato ou rugosidade do concreto em que o

reparo está sendo realizado. Portanto, após estudos realizados, adotando alguns desses

métodos, sobre a aderência de argamassas geopoliméricas, comparativamente chegou-se à

44

conclusão de que os reparos com ligantes geopoliméricos em relação a outros produtos

comerciais de reparo são bem mais eficientes.

Metodologia de avaliação

A metodologia para avaliação de aderência de argamassas de reparo foi muito

pouco discutida no Brasil. Selmo (1989) foi uma das primeiras pesquisadoras a estudar e

contribuir na interpretação dos fenômenos e mecanismos de aderência.

Diferentemente do Brasil, já há a explanação de algumas normas para este fim no

cenário internacional, a exemplo das normas francesas, tais como: NF P 18-851 (AFNOR)

1992, resistência de aderência ao cisalhamento na flexão; NF P18-852 (AFNOR) 1993,

aderência por tração direta; NF P 18-853 (AFNOR) 1986, resistência de aderência à tração

direta. As normas ASTM C882:1991 e ASTM C1042:1991 (Aderência por cisalhamento

oblíquo por compressão axial ou compressão cisalhamento da junta inclinada) recomendam

a determinação da resistência de aderência através da tensão desenvolvida na área de

colagem dos corpos-de-prova. Entre os vários métodos, pode-se citar, ainda, o teste de

cisalhamento de junta inclinada, preconizado pela NORMA BRITÂNICA BS 6319 (1996

apud ABU-TAIR et al, 2000).

Medeiros e Selmo (2000) estudaram o desempenho de argamassas para reparos

localizados em estruturas de concreto com corrosão das armaduras, visando discutir as

propriedades críticas para o desempenho dos sistemas de reparos. Ao final, fazem

divulgação das atividades normativas desenvolvidas na Europa quanto aos serviços e

materiais empregados na recuperação de estruturas de concreto armado, no sentido de

incentivar a análise e discussão do que já pode ser aqui aplicado e do que precisa ser

adaptado ao Brasil.

Moreno e Selmo (2001), após pesquisa da aderência entre dois materiais, indicam

o ensaio de cisalhamento oblíquo por compressão, com uso de corpo-de-prova de

cilíndricos de 50 mm x 100 mm ou prismáticos de 40 mm x 40 mm x 120 mm e um ângulo

de inclinação da superfície de aderência de 30º como um dos ensaios mais indicados para

estudo da aderência entre argamassas de reparo e substrato de concreto.

Segundo Clímaco (1989), os ensaios utilizados na avaliação da aderência devem

simular um estado de tensões que represente as condições da estrutura em serviço, devendo

45

também fornecer baixo coeficiente de variação, sendo sensível à propriedade medida, e

possuir um procedimento de teste de simples reprodução.

Clímaco (1991 apud PIRES, 2003) apresentou análise crítica dos métodos de

avaliação de aderência entre o reparo e o concreto. Fazendo a análise, ele diz: (...) a avaliação da aderência através do teste de cisalhamento inclinado possui

vantagens que justificam a adoção desse método pela maioria das normas

internacionais, mas enfatiza que, algumas das vantagens esperadas só são obtidas

com a correta combinação dos parâmetros algumas vezes divergentes: ângulo da

junta, preparo da superfície, forma e dimensão dos corpos-de-prova.

Clímaco (1991) e Garcia (1998), em seus estudos de aderência entre concretos

(base e reparo), comprovaram que a aderência entre superfícies ou entre o substrato e

reparo acarreta melhor desempenho em relação às mesmas superfícies quando umedecidas.

Clímaco (1994 apud MATTOS, 2002) apresentou suas análises de aderência em

dois critérios: pela comparação da resistência à compressão medida nos prismas compostos

(reconstituídos com a argamassa em estudo) com os prismas sólidos; e através de um

critério de ruptura do tipo Coulomb (que leva em consideração a aspereza da superfície

coesão e coeficiente de atrito), com o ensaio de junta a vários ângulos.

Abu-Tair et al. (2000) fez proposta para avaliar a aderência para materiais

cimentícios através da adequabilidade do teste de cisalhamento inclinado, realçando as

diferenças a depender do preparo da superfície. Os resultados mostraram a sensibilidade e a

influência do preparo da superfície no estudo da aderência entre materiais diferentes.

2.6 Comportamento da aderência avaliada através do ensaio de tração na flexão

Na avaliação da aderência utilizando os resultados de resistência de aderência ao

cisalhamento na flexão (AFNOR NF P 18.851:1992), relações devem ser feitas com ensaio

de resistência à tração na flexão. Porém, em função da carência observada na revisão

bibliográfica, os resultados das pesquisas realizadas por Beber (1999), Souza e Appleton

(2003) e Trigo et al. (2004) foram utilizadas como referência por utilizarem os ensaios de

resistência à tração na flexão para verificação do desempenho da aderência de vigas

reparadas e/ou reforçadas.

46

Beber (1999) analisou o comportamento estrutural à flexão de vigas de concreto

armado com diferentes configurações de reforço, monitorando cargas, deslocamentos

(através de LVDT`S – Linear Variation Displacement Transducer) e deformações

específicas (através de strain gages – traçando o perfil de deformações e,

consequentemente, das tensões no reforço). O método utilizado serviu para avaliar o

mecanismo de transferência de esforços entre concreto e reforço, o

arrancamento/deslocamento entre reforço e substrato, além do desempenho dos compósitos

utilizados no reforço à flexão das vigas avaliadas, confirmado através do aumento na

resistência e na rigidez do sistema. Foi verificada também a aderência, propriedade

necessária para transferir as forças do concreto para o reforço, pois a falha na aderência

implica a perda completa da ação conjunta entre o reforço/concreto, comprometendo a

estabilidade do elemento estrutural.

Souza e Appleton (2003), estudando o comportamento de vigas de concreto

armado reforçadas com materiais compósitos, procuraram avaliar o comportamento dessas

vigas em diferentes condições de utilização (variação do número de camadas; variação do

tipo de carregamento; variação do tipo de ancoragem) em conjunto com os resultados de

ensaios específicos sobre o desempenho do compósito face à sua adesão e aderência à

superfície do concreto. A análise dos resultados foi conduzida tendo por base os valores das

tensões e deformações normais e das tensões cisalhantes verificadas nos ensaios, na

interface de ligação e ao longo do comprimento das vigas. As interpretações dos dados

coletados, através de gráficos, indicaram a perfeita aderência do compósito ao substrato,

fato que permitiu o trabalho solidário do sistema de reforço.

Gava et al. (2004) analisou a colagem de polímeros reforçados com fibras de

carbono em reforço de elementos estruturais de concreto, propondo uma inovação

construtiva fundamentada no desenvolvimento de um compósito de alto desempenho à base

de cimento Portland e fibras de aço, destinado a constituir o que está sendo

preliminarmente chamado de “substrato de transição”. A finalidade desse substrato é

controlar melhor a fissuração do concreto da viga e retardar o desprendimento prematuro

do reforço. Assim, foi realizado um estudo preliminar em vigotas moldadas com fibras de

aço e reforçadas com manta de PRFC, pelo qual se verificou que a concepção do substrato

de transição é válida. Os resultados mostram que foi possível desenvolver material de

47

elevado desempenho com significativos ganhos de resistência e tenacidade ao fraturamento.

A aplicação do reforço sobre a superfície do substrato de transição, formado a partir da

reconstituição do banzo tracionado da viga com o compósito cimentício, mostrou melhorar

significativamente os níveis de desempenho da peça reforçada. Portanto, a eficiência da

técnica de reforço proposta foi comprovada, reunindo uma série de informações que podem

ser exploradas para se tornarem úteis como critérios de projeto de estruturas recuperadas e

reforçadas.

Segundo estudos realizados por Ferrari e Hanai (2009), foi evidenciada a eficácia

da técnica de reforço com uso de compósito cimentício na reconstituição do banzo

tracionado em vigas. Para se chegar a essa conclusão, foram avaliadas o comportamento à

tração na flexão de corpos-de-prova prismáticos sob controle dos deslocamentos,

utilizando-se de transdutores e extensômetros elétricos. Nesse trabalho, o citado autor

analisou vigas solicitadas à flexão simples em quatro pontos, com carregamento crescente

até a ruína, estabelecendo considerações em relação ao incremento de resistência e rigidez

proporcionada pelo reforço adotado. Foi concluído que a reconstituição e reforço do banzo

tracionado das vigas analisadas não somente é eficaz em termos de capacidade de carga,

como também em termos de rigidez. O citado autor propôs ainda uma série de informações

que podem ser exploradas para se tornarem úteis como critérios de projeto de estruturas

recuperadas e reforçadas. Os conceitos citados, com as devidas alterações, podem ser

aplicados a outros casos de reparo/reforço.

Trigo et al. (2010) analisou o comportamento da zona de interface entre concreto

novo e velho após escarificação do concreto velho (tratamento físico) e o emprego da

técnica de dopagem (tratamento químico que consiste na impregnação de pó por via seca ou

pasta de alto desempenho, seguida do lançamento de concreto novo, ou no lançamento

direto de um concreto novo com características de alto desempenho). O desempenho dessa

ligação foi avaliado por meio de ensaios de tração na flexão até a ruptura em corpos-de-

prova prismáticos de concreto simples e, em seguida, remoldados. A partir dos resultados,

verificou-se que a ruptura dos corpos-de-prova recuperados ocorreu fora da região de

interface e que as resistências à flexão desse concreto foram mantidas tais quais as

originais, demonstrando a eficácia do procedimento na ligação entre concreto novo e velho.

Portanto, valendo-se dessa técnica (dopagem e de conceitos de alto desempenho), concluiu-

48

se que a simples aplicação de um concreto em contato com outro, de diferentes idades, no

sentido de recuperar uma estrutura, é um procedimento adequado que torna mais prático e,

provavelmente, menos oneroso esse processo.

Para que fosse feita uma análise mais consistente dos resultados de resistência de

aderência ao cisalhamento na flexão (AFNOR NF P 18-851:1992), a relação com os

resultados obtidos do ensaio de flexão a quatro pontos (ABNT 12142:1994) somente foi

possível após revisão bibliográfica de temas relacionados a ensaios de flexão de vigas.

Desse modo, os resultados deste último podem ser comparados aos do primeiro para

verificação da maior ou menor aderência do reparo ao substrato de concreto, levando-se em

consideração a realização do teste de forma estável, controlada e pela indução de fissuras

no entalhe.

Como poderá ser verificado no Capítulo 6, para que as análises e os resultados

tenham mais consistência e sejam mais conclusivos, as pesquisas citadas foram de muita

importância, principalmente por terem utilizado os ensaios de flexão de vigas – reparadas

ou reforçadas no banzo tracionado, com ou sem entalhes – para verificar a maior ou menor

aderência do reparo/reforço ao substrato de concreto.

49

CCaappííttuulloo 33..

CCAARRAACCTTEERRIIZZAAÇÇÃÃOO DDAA AARRGGAAMMAASSSSAA GGEEOOPPOOLLIIMMÉÉRRIICCAA

3.1 Introdução

O cimento geopolimérico feito com diversas misturas na formulação pode

apresentar propriedades superiores ao do cimento Portland, requerendo temperaturas muito

mais baixas de calcinação (de 600 a 900ºC) com menor emissão de CO2 do que o cimento

Portland. O concreto produzido com o cimento geopolimérico apresentou-se com vida útil

mais longa do que os produzidos com cimento Portland, propriedade excelente para

determinar sua capacidade de encapsular metais pesados, tóxicos e radioativos e até mesmo

o desenvolvimento de materiais leves para construção (TORGAL, 2007). O cimento

geopolimérico pode, ainda, apresentar uma resistência elevada em um curto período de

tempo a temperatura ambiente. Na maioria dos casos estudados, 70% da resistência é

desenvolvida nas primeiras 12h, possuindo, também, baixa permeabilidade. Torgal (2007)

relata ainda que as resistências ao fogo e ao ataque por ácido do cimento geopolimérico são

substancialmente superiores às do cimento Portland. Outras propriedades estudadas

incluem a boa resistência aos ciclos de congelamento e descongelamento, além da

estabilidade em altas temperaturas. Estas propriedades fazem do cimento geopolimérico um

possível candidato para substituir o cimento Portland utilizado nas áreas da construção

civil, produção de argamassas, pavimentação, ponte, engenharia hidráulica e militar

(DAVIDOVITS, 1991).

3.2 Evolução dos Estudos sobre Geopolímeros

O uso de argilominerais naturais em conjunção com álcalis (3-6% NaOH e KOH)

para produzir ligantes minerais de alto desempenho foi assunto de longos anos de

investigação de Davidovits (1988), que percebeu o fato de que simples condições

hidrotérmicas governam a síntese de alguns polímeros orgânicos e também de minerais

feldspatóides e zeólitas resistentes ao calor. A literatura científica e o banco de patentes

indicavam que, antes de 1978, a geoquímica, que engloba o estudo da síntese de zeólitas e

50

redes moleculares, não tinha sido investigada para o desenvolvimento de ligantes e

polímeros minerais.

Os ligantes obtidos por ativação alcalina são também usualmente conhecidos por

ligantes geopoliméricos. Historicamente, esse tipo de ligante foi objeto de intensas análises

por parte de investigadores do Leste da Europa. Contudo, somente em 1978, Joseph

Davidovits introduziu e patenteou o termo “geopolímero”, após investigações sobre a

polimerização de metacaulim, temática dos ligantes alcalinos que sofreu um aumento

considerável, quer em termos da investigação produzida, quer em termos de divulgação

científica. Quanto às propriedades físicas, os ligantes obtidos por ativação alcalina

compreendem fundamentalmente duas etapas: uma de dissolução da sílica e alumina da

matéria-prima, quando misturada com uma solução alcalina (ativador); outra de

policondensação e endurecimento dos produtos de reação numa estrutura polimérica. Ao

nível fenomenológico, alguns investigadores afirmam que existem dois modelos distintos

de ativação alcalina. As investigações sobre os ligantes ativados alcalinamente demonstram

que é possível sintetizar ligantes a partir de resíduos aluminosilicatados ativados com

soluções de elevada alcalinidade. No primeiro modelo, um bom exemplo é o da ativação de

escórias de alto forno, um material com elevada percentagem de óxido de cálcio, que, ao

ser ativado com soluções alcalinas de baixa ou média concentração, origina produtos de

reação do tipo silicato de cálcio hidratado (C-S-H). No segundo modelo, o material

composto quase exclusivamente por sílica e alumina é ativado por soluções alcalinas

bastante concentradas, originando-se uma reação de polimerização (DAVIDOVITS, 1988).

Vários trabalhos sobre a obtenção, a caracterização e o emprego dos

geopolímeros (polissialatos) encontram-se em fase de desenvolvimento em diversos lugares

do mundo, a exemplo da Coréia (YANG et al., 2007), Portugal (TORGAL et al, 2008),

China (ZUHUA et al., 2008), Brasil (SKAF, 2008) e U.S.A (SAKULICH, 2009). Nesses

trabalhos, diversas matérias-primas são utilizadas, tais como: resíduos inorgânicos de

diversas indústrias, cinzas volantes, escórias de alto-forno, sílica de fumo, resíduos de

minas e de pedreiras, cinzas de usina de energia ou de mineração, resíduos da indústria

extrativa, pozolanas, metacaulim, resíduos de construção, alguns minerais naturais que

contêm quantidades significativas de silício e alumínio reativos na fase amorfa, com

pequena ou nenhuma quantidade de CaO (como metacaulim, argila desidratada etc.).

51

Diversos fatores que afetam as propriedades dos geopolímeros foram estudados:

a cinética das reações de síntese, as principais funções dos diferentes reagentes, a influência

da ordem de adição dos reagentes durante a síntese, dentre outros. Utilizando

espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) no estado sólido – por ser uma

ferramenta adequada para estudar materiais “desordenados” ou “mal-ordenados”, tal como

o geopolímero (SILVA et al., 2000), foi proposto um modelo molecular que representa o

arranjo formado pelas cadeias poliméricas dos polissialatos. A resistência sob ataque

químico e ciclagem térmica, o reforço com fibras contínuas e o desenvolvimento de

concretos de matriz de cimento polissialato também estão sendo implementados.

Excelentes resultados foram obtidos com a aplicação desses materiais em blindagens

balísticas.

Segundo Pinto (2004), já existem espalhadas pelo mundo diversas fábricas de

ligantes geopoliméricos com potencialidades mecânicas superiores às do cimento Portland,

como nos Estados Unidos (Lone Star, Pyrament, Metamax), na França (Geopolymer), na

Alemanha (Tollit) e na Nova Zelândia (MetaMax).

A sustentabilidade de uma indústria tal como a da construção civil, e em

particular a de materiais de construção, assume um papel primordial na sociedade,

justificando o aprofundamento no assunto. Sendo assim, é válida uma revisão da literatura

sobre investigações no âmbito da sustentabilidade dos materiais de construção e, em

particular, da pesquisa e investigação de material menos poluidor que o cimento Portland,

como é o caso do geopolímero.

A Tabela 3.1 apresenta um resumo da evolução dos estudos sobre o cimento

geopolimérico no mundo.

52

Tabela 3.1: Cronologia sobre alguns acontecimentos acerca do cimento geopolimérico no mundo.

Autor Ano Descrição

Feret 1939 Cimentos com escórias Purdon 1940 Combinações alcalis-escórias Glukhovsky 1959 Bases teóricas e desenvolvimento de cimento alcalino Glukhovsky 1965 Primeiros cimentos alcalinos Davidovits 1979 Termo “ Geopolímero” Malinowski 1979 Caracterização de aquedutos milenares Forss 1983 Cimento tipo F (Escórias – alcalis – superplasificante) Langton e Roy 1984 Caracterização de materiais em edifícios milenares Davidovits e Sawyer 1985 Patente do cimento “ Pyrament “ Krivenko 1986 Sistemas R2O – RO - SiO2 - H2O Malolepsy e Petri 1986 Ativação de escórias sintéticas Malek. et al. 1986 Cimentos de escórias com resíduos radioativos Davidovits 1987 Comparação entre concretos correntes e concretos militares Deja e Malolepsy 1989 Resistência ao ataque de cloretos Kaushal et al. 1989 Cura adiabática de ligantes alcalinos com resíduos nucleares Roy e Langton 1989 Analogias dos concretos milenares Majundar et al. 1989 Ativação de escórias Talling e Brandstetr 1989 Ativação alcalina de escórias Wu et al. 1990 Ativação de cimento de escórias Roy et al. 1991 Presa rápida de cimentos ativados alcalinamente Roy e Silsbee 1992 Revisão sobre cimentos ativados alcalinamente Palomo e Glasser 1992 Metacaulim com CBC Roy e Malek 1993 Cimento de escórias Glukhovsky 1994 Concretos milenares, modernos e futuros Krivenko 1994 Cimentos alcalinos Wang e Scrivener 1995 Microestrutura de escórias ativadas alcalinamente

* Fonte: Modificada de Roy (1999).

No Brasil, pode-se traçar a evolução nos estudos desse tipo de material (Tabela

3.2) tendo início em meados da década de 90. A grande maioria das pesquisas ocorreu no

IME – Instituto Militar de Engenharia, seguidas pelos trabalhos, a partir de 2004,

desenvolvidos pela UENF – Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro.

53

Tabela 3.2: Cronologia sobre alguns acontecimentos acerca do cimento geopolimérico no Brasil.

Autor Ano Descrição

Costa Jr., A. M. 1996 Resistência de Materiais Compósitos ao Impacto Balístico

Pinto, A. L. 1998 Relação entre Microestrutura e Propriedades Mecânicas do Polipropileno de Ultra-alto Peso Molecular

Barbosa, V. F. F., 1999 “Síntese e Caracterização de Polissialatos” Souza, A. N. 1999 Materiais Alternativos para Aplicações em Blindagens Balísticas Barbosa V. F. F 1999 Síntese e Caracterização de Polissialatos

Silva, F. J. 2000 Compósitos de Matriz de Cimento Polissiloxossialato Reforçados por Microfibras de Wollastonita

Silva, F .J. 2000 Reforço e Fratura em Compósitos de Matriz Álcali-ativada Thomaz, E. C. S 2000 Concreto Geopolimérico

Dias, D. P. 2001 Cimentos Geopoliméricos: Estudo de Agentes Químicos Agressivos, Aderência e Tenacidade à Fratura

Cuiabano, J. L. S. P. 2002 Efeito da Temperatura nas Propriedades do Cimento Geopolimérico

Lima, F. T. 2004 Caracterização Micro e Nanoestrutural de Compósitos Geopoliméricos Metacauliníticos

Santana, L. A.S 2004 Estudo da Aderência entre Concretos de diferentes Idades

Oliveira, F. A. 2005 Tenacidade à Fratura em Compósito Geopolimérico Reforçado por Fibra de Polipropileno

Souza, L.G 2005 Geopolímeros à Base de Resíduos Industriais Lima, F. T. et al. 2005 Xanes na Borda-k do Si do Sistema Caulim-Metacaulim-Geopolímero Pereira et al. 2006 Análise Microestrutural de Concreto Geopolimérico: Uma Visão Comparativa

Pereira, D. S. T. 2006 Concreto de cimento geopolimérico reforçado com fibras de aço para pavimentação

Silva, A. C. R. 2006 Comportamento do Concreto Geopolimérico para Pavimento Sob Carregamento Cíclico

Soares, J. C. 2006 Aço-Concreto Geopolimérico: Correlação entre Tensão de Aderência e Comprimento de Ancoragem

Pinto, E. N. M. G. 2007 Ativação de Pastas Geopoliméricas com Tetraborato de Sódio e Látex Não Iônico para Cimentação de Poços de Petróleo

Bigno, I.C. 2008 Geopolímeros à Base de Resíduos Agrícolas e Agroindustriais

Skaf, T. B. 2008 Influência de Matérias-Primas na Microestrutura e Resistência de Compósitos Geopoliméricos

Dias, A. A. 2008 Estudo da Degradação de Argamassa Geopolimérica por Ácido Acético e Sulfúrico

Mauri, J. 2009 Estudo da Degradação de Argamassa Geopolimérica por Sulfato de Cálcio, de Sódio e de Magnésio

3.3 Obtenção e Estrutura

3.3.1 Obtenção do Cimento Geopolimérico

Segundo Dias (2001), para a obtenção do cimento geopolimérico, é necessária a

reação de materiais sílico-aluminosos com elementos alcalinos, em ambiente altamente

alcalino, onde a fonte de alumínio empregada deve ser um aluminossilicato da família dos

filossilicatos (Si2O.5Al2O2), uma pozolana natural ou artificial, apresentando estrutura

amorfa com o alumínio em número de coordenação IV e substituindo isomorficamente o

silício nas folhas tetraédricas. Como a razão Si/Al nesta pozolana é inferior a 3, uma fonte

54

complementar de silício, silicato de sódio comercial, deve ser empregada. Para a formação

adequada dos polissialatos, início da polimerização, o pH da solução deve ser maior que 13,

de forma a garantir a dissolução dos constituintes iniciais para a posterior precipitação. A

fonte complementar de álcali empregada geralmente é o hidróxido de sódio (NaOH) e/ou

de potássio (KOH), muito utilizados por serem relativamente baratos, disponíveis e por

conferirem desempenho satisfatório ao produto final.

Dois atributos-chave da tecnologia da geopolimerização são a robustez e a

versatilidade do processo de fabricação, que permitem que os produtos sejam feitos sob

medida, a partir de uma gama de matérias-primas como fonte de aluminosilicatos para

obtenção de propriedades específicas para uma determinada aplicação, a um custo

competitivo, conforme indicado por Duxson et al. (2007).

3.3.2 Matéria-Prima do Cimento Geopolimérico

3.3.2.1 Metacaulim

O metacaulim é um material obtido do caulim, após tratamento térmico

conveniente, com vistas à desidroxilação e à alteração da coordenação do alumínio,

material que pode ser ativado alcalinamente (DAVIDOVITS, 1991).

A caulinita, mineral de argila, principal constituinte do caulim, é caracterizada

pela justaposição de duas lâminas (tetraédricas de silício e octaédricas de alumínio e/ou

magnésio). Na lâmina octaédrica, o alumínio está em coordenação com 2 átomos de

oxigênio e 4 de hidroxilas e apresenta um comportamento estável; ao ser aquecido, esse

material, dá-se a desidroxilação e concomitante alteração da coordenação do alumínio, que

passa a tetraédrica (maioria) e pentaédrica (parcial).

No Estado da Bahia, o maior depósito de caulim situa-se no sul e pertence a uma

grande unidade geológica denominada Grupo Barreiras, formada por extensos depósitos de

sedimentos terrígenos dispersos na forma de tabuleiros em patamares ligeiramente

inclinados para o litoral. Os sedimentos são constituídos por camadas de espessuras

variadas de sedimentos arenosos de coloração bege ou levemente esbranquiçados, ricos em

caulinita e quartzo, segundo Bertolino (2000).

55

Cordeiro (2001) diz que a argila caulinítica torna-se reativa quando calcinada

entre 500ºC e 850ºC, pois nessa faixa de temperatura ocorre a desidroxilação da caulinita,

resultando em um material amorfo, com estrutura desordenada e de elevada reatividade.

Vários fatores influenciam no comportamento reativo da metacaulinita, tais como: tipo de

forno, tempo de permanência, taxas de aquecimento e resfriamento.

A desidroxilação da caulinita ocorre conforme a Equação 3.1, e em torno de

500˚C:

Al2O3.2SiO2.2H2O → Al2O3.2SiO2 + 2H2O Equação 3.1

(caulinita) (metacaulinita) (gás)

Esta transformação ocorre pela perda de água da caulinita, dando origem a uma

estrutura amorfa. Se o processo de calcinação continua, a elevação da temperatura provoca

uma recristalização da fase amorfa da metacaulinita para uma fase cristalina intermediária,

chamada de espinélio, até a nucleação da mulita (MOTHÉ, 2004).

O metacaulim já foi amplamente estudado por conta da sua atividade pozolânica

(reagindo bem com o óxido de cálcio) e devido ao seu efeito microfíler, tendo potencial de

utilização como aditivo mineral para produção de concretos de alto desempenho similares

aos obtidos com sílica ativa, conforme citado por Cordeiro (2001).

Quando se usa caulim calcinado, há sempre a necessidade de realização da

moagem, pois, durante o tratamento térmico, há aglomeração das partículas, que resulta no

aumento da granulometria do metacaulim. A moagem diminui o tamanho das partículas de

materiais sólidos. Assim, consequentemente, ao moer o metaculim, aumenta-se a superfície

específica desse material, o que melhora a velocidade de reação (ou atividade) no processo

de geopolimerização. Essa etapa supre alguma deficiência que porventura permaneça do

processo de calcinação, conforme citado por Aranha (1994). Além disso, materiais mais

finos resultam numa microestrutura mais uniforme e, consequentemente, conduzem a uma

resistência mecânica elevada, fato observado também nos geopolímeros.

Sabe-se que a evolução das reações e da resistência mecânica de materiais

cimentícios é significantemente acentuada com o aumento da superfície específica

(VERBECK e HELMUTH, 1968).

56

No metacaulim, o tamanho de suas partículas varia de 0,2 a 15,0 μm e sua área

específica encontra-se em valores maiores que 12,0 m2/g (DOMONE, 2001 apud NITA,

2007).

Em relação à quantidade de material a moer, não existem regras e sim

considerações gerais. A quantidade de material a moer por vez deve ser suficiente para que

a massa formada cubra ligeiramente as bolas. O volume mínimo do material a ser moído

por vez deve seguir os seguintes critérios: o conteúdo máximo da carga moedora

juntamente com o material a moer não deve ultrapassar 25% do volume total do moinho

(PEREIRA, 2000 apud VIEIRA, 2005).

Para uma melhor eficiência no processo de moagem, deve-se iniciar o processo

com o material ainda quente, isto é, recém-saído do processo de calcinação (devido à

ausência de umidade no material resultante da calcinação), ou então antes da moagem a

seco em estufa a 100ºC.

A dureza e a granulometria inicial do material são fatores que condicionam a

evolução do grau de moagem. O tempo de moagem, tamanho e carga de bolas e a

quantidade de produtos a moer influenciam a eficiência da moagem. Segundo a

bibliografia, para se ter uma alta reatividade, o diâmetro médio dos grãos tem que estar em

torno de 3 μm.

3.3.3 Estrutura do Cimento Geopolimérico

Os geopolímeros são também conhecidos por polissialatos (grande cadeia

molecular constituída de silício, oxigênio e alumínio). Sialato é uma abreviação para sílico-

óxido-aluminato.

A estrutura básica do cimento geopolimérico (Figura 3.1), com razão Si/Al ≥ 2,

consiste de unidades funcionais compostas por tetraedros de SiO4(2Al), com o alumínio em

número de coordenação IV promovendo o cruzamento das cadeias poliméricas. Esse

arranjo com ligações cruzadas estabelece uma estrutura irregular de baixa mobilidade, que

resulta em propriedades particulares desse novo material.

57

Figura 3.1 - Estrutura tridimensional do cimento geopolimérico (polímero Na-polissialato. Fonte:

DAVIDOVITS, 1988).

Quimicamente, os geopolímeros são provenientes da união, dita “cruzada”, de

cadeias poliméricas de unidades tetraédricas de AlO4- e SiO4

-, tendo cátions de metais

alcalinos como balanceadores de carga. Os principais cátions de metais alcalinos

empregados para balancear as cargas negativas do Al3+ em coordenação IV com o oxigênio,

tornando a estrutura eletricamente neutra, são Na+, K+, Ca2+, Li+ e Cs+. O polímero mineral

resultante da reação de policondensação, o chamado geopolímero, é predominantemente

amorfo, com elevada compacidade; seu enrijecimento não ocorre pela formação de

produtos hidratados, tais como ocorre com a formação do C-S-H no cimento Portland e

com cimento de escória ativada com álcalis. O endurecimento consiste na dissolução das

matérias-primas, transporte ou orientação e a precipitação (policondensação) dos produtos

da reação.

Teoricamente, qualquer material composto de sílica e alumínio pode ser álcali-

ativado, ou seja, em contato com soluções fortemente alcalinas (como NaOH ou KOH) e

solução alcalina de ativação de metal alcalino (tipicamente silicato de sódio), curadas em

temperatura ambiente ou controladas em laboratório, geopolimerizam-se.

Em uma solução fortemente alcalina, o alumínio dos materiais reativos são

rapidamente dissolvidos em solução na forma livre de SiO4 e AlO4 com estrutura de

58

unidade tetraedral. Com o desenvolvimento da reação em ambiente aquoso, essas unidades

tetraédricas de SiO4 e AlO4 se ligam, produzindo os precursores poliméricos. A partir do

compartilhamento de todos os átomos de oxigênio entre duas unidades tetraédricas, forma-

se o material monolítico chamado de geopolimérico (DAVIDOVITS, 1989).

No processo de geopolimerização, a água confere plasticidade à mistura e é

essencial para o processo de dissolução dos compostos, além de ser o meio onde acontece a

policondensação, ficando livre nos vazios ou sendo adsorvida à estrutura sólida. O termo

cura também é utilizado para descrever as condições de temperatura e pressão em que se

processa a policondensação do cimento geopolimérico.

Segundo Skaf (2008), a cura do geopolímero, quando realizada a altas

temperaturas (≥ 60ºC), fornece um material mais resistente, pois à alta temperatura o

processo de geopolimerização é acelerado. Porém, deve-se tomar cuidado com a perda de

água, já que esta também atua como um catalisador na polimerização. À temperatura

ambiente, somente matérias-primas calcinadas de origem geológica pura, como o

metacaulim, geraram geopolímeros de boa qualidade.

Os sólidos obtidos com cimento geopolimérico distinguem-se muito do obtido

pela hidratação do cimento Portland, ressaltando-se que sua estrutura sólida é massiva, sem

morfologia definida e com composição semelhante à das rochas (SILVA, 2000). Além

disso, não há formação de hidróxido de cálcio e o C-S-H é praticamente ausente; o sólido é

praticamente composto por sílico-aluminatos amorfos, e não há formação de fases

distinguíveis ao microscópio eletrônico.

Na Figura 3.2, observa-se a micrografia de compósitos geopoliméricos e de base

cimentícia.

(a) Cimento geopolimérico (b) Cimento portland

Figura 3.2 – Micrografia do compósito (a) de cimento geopolimérico e (b) de cimento Portland,

mostrando detalhes dos produtos de C-S-H externos (Fonte: Skaf, 2008).

59

Abaixo segue uma breve comparação do processo químico de produção dos

cimentos Portland e geopolimérico (NICHOLSON, 2005 apud SKAF, 2008):

• cimento Portland: CaO (cal virgem – CO2 é liberado durante a sua produção) +

SiO2 (sílica ou dióxido de silício) são calcinados a 1450ºC, resultando no

clínquer que, após a hidratação, gera o C-S-H (silicato de cálcio hidratado) e o

hidróxido de cálcio.

• cimento geopolimérico: Al2O3 (alumina) + SiO2 são submetidos à temperatura entre

20ºC e 90ºC e ativados por uma solução alcalina de silicato, resultando na cadeia

-Si-O-Al-O- que, após a policondensação, forma como produto uma cadeia

polimérica tridimensional de aluminosilicato com baixa mobilidade.

Segundo Davidovits (1976), os geopolímeros podem ser representados pela

fórmula empírica (3.2):

OH w. }AlO - ){-(SiORn 2n2z2 Equação 3.2

Onde:

R - é o cátion alcalino (Na+, K+, ou Ca2+); n - é o grau de policondensação ou de polimerização; Z - tem valor 1, 2 ou 3; w - é o número de moléculas de água ou grau de hidratação.

3.3.4 Mecanismos das reações geopoliméricas

A partir da revisão bibliográfica, pode ser concluído que extensa pesquisa já foi

realizada sobre os mecanismos de reação dos geopolímeros, porém ainda não estão

completamente entendidos, embora já haja quase um consenso de que depende da matéria-

prima de origem e do ativador alcalino utilizado. Apesar disso, a maioria dos autores

concorda também que esse mecanismo consiste em um modelo de três etapas: dissolução

da matéria-prima, orientação e re-precipitação dos constituintes geopoliméricos

(endurecimento). Os produtos da reação dependem também do ativador utilizado. Os

sistemas formados por silício e cálcio (Si + Ca) têm o C-S-H como o principal produto da

reação; se o sistema for formado por silício e alumínio (Si + Al), os produtos da reação são

zeólitas como polímeros (TORGAL, 2007).

60

A dissolução tem dois grandes papéis na geopolimerização: a libertação dos

polissialatos e a ativação da reação de fixação de superfície (polimerização). Este último

vai contribuir de forma significativa para a resistência final da estrutura geopolimérica.

Vários pesquisadores têm mostrado que tanto o valor de pH elevado como a alta

concentração de sílica solúvel são fatores necessários para se conseguir uma alta

dissolução. Em outras palavras, os maiores teores de hidróxido de sódio e silicato de sódio

tenderão a produzir geopolímeros com maior resistência mecânica.

Estudos realizados por Temuujin et al. (2009) sobre a influência do cálcio na

geopolimerização concluem que compostos desse elemento químico (CaO e Ca(OH)2)

melhoram as propriedades mecânicas dos geopolímeros quando curados à temperatura

ambiente, afirmando também que o hidróxido de cálcio é considerado um aditivo mais

benéfico do que o óxido de cálcio. Além disso, é provável que melhore a dissolução das

matérias-primas e, posteriormente, a reação de geopolimerização. A adição de compostos

de cálcio reduz as propriedades mecânicas de geopolímero quando curados em

temperaturas elevadas; isso pode ser explicado pelo desenvolvimento insuficiente de rede

tridimensional de alumínio causado pela presença de cálcio.

No caso do metacaulim, o mecanismo de reação acontece da seguinte maneira:

primeiro a camada de superfície das partículas da metacaulinita são dissolvidas pela

solução de NaOH, e unidades de alumínio solúvel são imediatamente polimerizadas

(monômero, dímero e oligômero, contendo cadeias de Si-O-Si) em presença de solução de

silicato de sódio. Então, as partículas da metacaulinita dissolvidas são ligadas por uma rede

de polimerização. Quando a solução de NaOH possui maior concentração, há uma melhor

capacidade de dissolver as partículas da metacaulinita e ocorre a formação de uma rede

polimerizada reforçada.

3.3.5 Ativação Alcalina

Alguns investigadores, conforme citados por Palomo et al. (1999), afirmam que

existem dois modelos distintos de ativação alcalina. O primeiro modelo ocorre quando um

material com uma elevada percentagem de óxido de cálcio origina produtos de reação do

tipo silicato de cálcio hidratado (C-S-H), ao ser ativado com soluções alcalinas de baixa ou

média concentração. É isso o que ocorre com escórias de alto-forno (Si + Ca). No segundo

61

modelo, o material é composto quase exclusivamente por sílica e alumina (Al + Si) e é

ativado por intermédio de uma solução bastante alcalina, dando origem ao

desencadeamento de uma reação de polimerização que foi patenteada por Davidovits.

Como exemplo, a álcali-ativação do metacaulim em solução alcalina.

Vargas (2006) cita ainda que a álcali-ativação, também chamada de

geopolimerização, transforma estruturas amorfas, vítreas (parcial ou totalmente amorfa) em

compostos bem compactados e cimentantes. No entanto, para que ocorra esse processo, é

necessário um meio fortemente alcalino. Esse ambiente é conseguido utilizando-se soluções

de NaOH, KOH, Na2SiO3 ou Ca(OH)2, podendo ser outras além dessas (as mais citadas na

literatura, denominadas soluções ativadoras ou ativadores alcalinos), sendo possível, assim,

dissolver certa quantidade de sílica e alumina (SiO2 e Al2O3), bem como hidrolisar

(decompor uma molécula pela ação da água) a superfície das partículas das matérias-

primas.

Vários outros parâmetros interferem na estrutura e nas propriedades físicas dos

materiais álcali-ativados, tais como: quantidade de água, história térmica da matéria-prima,

grau de cristalinidade ou amorfismo, tamanho das partículas e cura térmica. Nesse

processo, o desarranjo das ligações de Si-O-Si e de Al-O-Al ocorre através de reações

exotérmicas, em que os íons de silício e alumínio passam para uma solução. A matéria-

prima tem sua estrutura destruída, gerando novos produtos, que começam a acumular por

um período de tempo (período de indução) com liberação de uma pequena quantidade de

calor. Logo após, há uma condensação da estrutura e se verifica a polimerização (com forte

liberação de calor); é nessa fase que ocorre o aparecimento de um novo material com

propriedades cimentícias, contendo estrutura mal ordenada, porém com alta resistência

mecânica (PALOMO, 1999).

O produto final é caracterizado por um polímero de alta resistência mecânica. Os

parâmetros de reatividade mais importantes são: teor de sílica reativa, o conteúdo de fase

amorfa e teor de cálcio. Lee (2007 apud TORGAL, 2007) afirma que o ferro e o cálcio,

presentes em certas matérias-primas, não influenciam na resistência mecânica dos

geopolímeros, pois não são encontrados nos produtos da reação principal.

62

A taxa de ativação na geopolimerização e a composição química dos produtos

finais da reação dependem de fatores como tamanho e composição química das partículas

da matéria-prima, tipo e concentração do ativador (CRIADO et al., 2007).

3.3.5.1 Ativadores

Para promover as ligações geopoliméricas são utilizados os ativadores, sendo os

mais utilizados: os hidróxidos de sódio (NaOH) ou de potássio (KOH); o carbonato de

sódio, com os silicatos de sódio (nSiO2.Na2O) ou de potássio (nSiO2.K2O); e, sobretudo,

misturas destes compostos (PINTO, 2004). O tipo de dosagem e sua concentração

dependem da matéria-prima (pois a composição química e o grau de finura condicionam a

reação de ativação).

Ainda há controvérsias na influência da concentração dos ativadores alcalinos em

relação à resistência mecânica dos geopolímeros. No estudo realizado por Pinto (2004)

sobre escória e metacaulim álcali-ativados, foi relatado um aumento da resistência

mecânica quando houve aumento da concentração do ativador alcalino.

De acordo com Palomo (1999), o ativador alcalino desempenha um papel crucial

na reação de polimerização, reagindo mais rapidamente quando a sílica solúvel está

presente.

Estudos sobre álcali-ativação de diferentes minerais naturais de alumino-silicato

foram realizados, tendo sido notado que a maioria deles não poderia fornecer sílica

suficiente para iniciar a geopolimerização, necessitando, assim, de uma sílica solúvel

adicional.

Segundo Davidovits (1985), com base na química dos zeólitos, é recomendado

que sejam respeitadas determinadas razões atômicas para se obter bons resultados em

termos mecânicos e de durabilidade, tais como os abaixo citados:

1. no ativador: SiO2/Na2O < 1,85

2. no metacaulim: 0,20 < Na2O/SiO2 < 0,48

3,30 < SiO2/Al2O3 < 4,50

0,80 < Na2O/ Al2O3 < 1,60

3. entre o ativador e o metacaulim: 10,00 < H2O/Na2O < 25,00

* Onde se tem Na, pode estar também K ou Li.

63

Os materiais naturais geralmente não possuem composição química que garanta

as razões sugeridas por Davidovits, necessitando, assim, recorrer a correções com adição

dos ativadores.

Geralmente os ativadores mais utilizados são de dois tipos, classificados,

segundo Pinto (2004), como simples (base alcalina – KOH ou NaOH) e composto (formado

pela associação de uma base alcalina com um silicato de sódio - Na2SiO3). Segundo esse

autor, apesar de não estar bem esclarecido qual o papel específico de cada componente de

um ativador, ele atribui ao hidróxido de potássio ou de sódio o papel de dissolver as

matérias-primas e, ao silicato de sódio, o papel de ligante.

3.3.6 Efeito da água no processo de geopolimerização

Durante a síntese dos geopolímeros, a água desempenha importante papel,

participando da dissolução, da hidrólise e nas reações de policondensação, fornecendo o

meio adequado para a dissolução de aluminossilicatos e transferência de vários íons, além

da hidrólise do Al 3+ e de compostos de Si 4+. A alta proporção de líquido / sólido poderia

acelerar a etapa da dissolução das matérias-primas e a hidrólise de Si 4+ e Al 3+, mas pode

dificultar a etapa da policondensação (ZUHUA et al., 2008). No processo de

geopolimerização, a água confere plasticidade à mistura e é essencial para o processo de

dissolução dos compostos, além de ser o meio onde acontece a policondensação.

3.4 Propriedades dos Geopolímeros

3.4.1 Trabalhabilidade dos geopolímeros

A trabalhabilidade é a propriedade de um material recém-misturado (pasta,

argamassa ou concreto) que determina a facilidade com que pode ser misturado, moldado,

consolidado e acabado (NEVILLE, 1997); essa mesma definição pode ser aplicada para os

geopolímeros.

Os estudos realizados por Torgal (2007) revelaram a baixa trabalhabilidade

apresentada pelos geopolímeros, atribuída à sua alta viscosidade. O comportamento da alta

consistência observada pelo autor ainda foi menor que a observada por outros autores, que

até já mencionaram a necessidade do uso de martelo para colocar o geopolímero no molde

(PINTO, 2004 apud TORGAL, 2007). Esse comportamento não foi superado nem mesmo

64

quando um superplastificante foi utilizado nas misturas estudadas; porém, com o aditivo,

aumentou o empacotamento e diminuiu a porosidade, aumentando a resistência do produto

final.

3.4.2 Tempo de pega dos geopolímeros

O tempo de pega dos materiais cimentícios está ligado à perda de consistência,

quando das alterações a partir de um ligante líquido para um estado rígido. Para fins

práticos, o tempo de pega não deve ser menor que o tempo necessário para moldar o

material. Estudos realizados (TORGAL, 2007) para avaliar o tempo de pega com materiais

geopoliméricos, através do aparelho de Vicat (de acordo com a normalização portuguesa E-

329/1979), demonstraram que essa propriedade sofre influência de vários fatores, tais

como: composição e concentração da solução ativadora, razão matéria-prima e fonte

complementar de álcali, solução alcalina utilizada e da composição do agregado.

Estudos um pouco mais recentes (SILVA et al., 2000) mostraram que os tempos

de início e fim de pega dos cimentos geopoliméricos foram iguais a 40min e 1h45min,

respectivamente, ou seja, bem menores que aqueles apresentados pelos cimentos Portland

(geralmente 1h15min e 4h para início e fim de pega, respectivamente).

Ensaios de RMN realizados por Pinto (2004), com o objetivo de identificar como

se processa a evolução das alterações estruturais em torno dos átomos de alumínio e de

silício na formação de argamassas geopoliméricas, verificaram que as reações de

geopolimerização são muito rápidas em termos de definição das ligações químicas

presentes; 30 minutos após a mistura, foram registrados padrões bem definidos mantidos

com poucos ajustes em idades mais avançadas. Porém, não foi possível, segundo o citado

autor, afirmar quando ou se as reações terminaram, ou concluir definitivamente se a cura

foi concluída ou não. A identificação com precisão das fases durante a polimerização é

muito difícil, em função da grande dificuldade em “congelar” a fase de gel intermediária

que se forma no início da reação de geopolimerização, conforme apresentado por vários

outros autores (HUA XU e VAN DEVENTER, 1999 apud PINTO, 2004).

Com base nos conhecimentos do uso de tetraborato de sódio anidro em cimentos

odontológicos para retardar a ação da pega rápida em resinas poliméricas com metais

alcalinos e alcalinos terrosos em sua composição, Pinto (2007) tomou a iniciativa de usar

65

esse material como retardador de pega de geopolímeros. A ação do boro é substituir

parcialmente o alumínio, interferindo na reação de geopolimerização e funcionando como

retardador de pega.

3.4.3 Resistência mecânica dos geopolímeros

Ligantes geopoliméricos apresentam diferentes resistências, a depender da

matéria-prima e dos componentes da mistura (agregados) utilizados na sua formação.

Nas pesquisas realizadas por Torgal (2007), verificou-se que as argamassas

geopoliméricas produzidas com areia de resíduos de mineração apresentaram elevados

níveis de resistência quando comparadas às misturas somente com metacaulim. O aumento

dessa resistência provavelmente ocorre devido ao hidróxido de cálcio e ao óxido de ferro

presentes nessa areia, que adiciona um potencial de nucleação extra à mistura. O autor

sugere ainda que o aumento de resistência das argamassas estudadas pode acontecer devido

à dissolução do quartzo e alumina em presença de alcalóides, que fortalecem as ligações

entre a pasta e os agregados. Esse mesmo resultado foi verificado em argamassas

geopoliméricas que utilizaram agregados graníticos, que são quimicamente reativos.

Segundo Torgal e Jalali (2007), a resistência à compressão de pastas

geopoliméricas é significativamente menor do que a resistência à compressão de

argamassas geopoliméricas, independentemente do tipo de agregado.

Na interface entre agregado e pasta nas argamassas geopoliméricas, verifica-se

melhoria das características da zona de transição, com interface agregado/matriz densa e

uniforme; esse fenômeno é contrário ao observado na “zona interfacial de transição” nas

argamassas com cimento Portland, que é tipicamente espessa e porosa (com ocorrência e

presença de hidróxidos de cálcio e maior quantidade de água, por conta do efeito de

parede). Pesquisas realizadas quanto à microestrutura da zona de transição pasta/agregado

com cimento Portland indicaram que a redução da espessura da zona de transição

pasta/agregado melhora o desempenho das propriedades relacionadas à resistência

mecânica e à durabilidade das argamassas e do concreto com cimento Portland

(ROSSIGNOLO, 2007). Essa também deve ser a justificativa do melhor desempenho nas

argamassas geopoliméricas, juntamente com o efeito microfíler, em que o metaculim, por

ser muito fino e reativo, exerce simultaneamente ação química de combinação e física de

66

ocupação dos vazios, formando uma zona interfacial entre a pasta e o agregado menos

poroso, proporcionando uma melhor aderência entre eles (MEHTA e MONTEIRO, 2008).

Na revisão bibliográfica realizada por Skaf (2008), foi verificado que a interface

com contaminação de cloretos e silicatos solúveis na solução de ativação provoca

cristalização na superfície dos agregados, o que compromete a interface agregado/matriz,

reduz a resistência em concreto geopolimérico. Estudos anteriores, segundo Torgal e Jalali (2007), demonstram a influência de

outros fatores na resistência mecânica dos geopolímeros, tais como: concentração do

ativador alcalino (que está diretamente relacionado com a mineralogia do ligante

geopolimérico formado); a proporção molar H2O/Na2O; o aumento da concentração de

NaOH, que fornece melhor dissolução de silicatos e aluminatos (levando ainda ao aumento

da resistência de união intermolecular); e a menor quantidade de água e da porosidade.

Wang (2005), após estudos das propriedades mecânicas dos geopolímeros, cuja

matéria-prima foi o metacaulim, concluiu que essas propriedades são muito dependentes da

concentração da solução de NaOH. Ensaios de resistência à compressão e à tração na flexão

mostraram aumento da resistência com o aumento da concentração de NaOH, atribuindo

esse fato, provavelmente, à melhor dissolução das partículas de metacaulinita e, portanto, à

condensação acelerada do monômero (base de formação dos geopolímeros) na presença de

solução de NaOH com concentração mais elevada.

Estudos realizados por Silva (1999) mostraram que o cimento geopolimérico,

quando curado a 65ºC por 4h, atinge resistência à compressão da ordem de 45 MPa. Esse

mesmo nível de resistência foi alcançado aos 3 dias de idade, quando curado ao ar e à

temperatura ambiente (22ºC). Aos 28 dias de idade, alcançou 60 MPa. Já o cimento

Portland ARI-PLUS atingiu somente 20 MPa, após 4h, quando curado à temperatura de

65ºC. Foi verificada também uma queda na taxa de desenvolvimento da resistência. Aos 28

dias, atingiu apenas 36 MPa. Quando curado à temperatura ambiente, imerso em água em

câmara úmida, sua resistência à compressão, aos 28 dias de idade, foi de 48 MPa.

Segundo Pinto (2004), isso ocorre porque o cimento Portland não reage com

partículas de fíler ou pó, agindo apenas como “cola”, o que torna necessária a utilização de

agregados bem graduados para se obter compósitos de boa qualidade. Os cimentos de base

alcalina são ativados, reagem com o sistema alumínio-silicato, numa espécie de reações

67

pozolânicas, em fase amorfa ou semi-cristalina, que, por sua vez, imobiliza as partículas de

pó que eventualmente não tenham entrado na combinação.

Torgal (2007), estudando as propriedades dos resíduos de minas de tungstênio

em Portugal, verificou que as propriedades físicas e mecânicas dos polímeros inorgânicos –

especialmente de isolamento térmico, resistência à compressão e resistência a ácidos fortes

– são muito melhores em comparação com às do cimento Portland. O estudioso concluiu,

também, que, embora a substituição de cimento Portland por polímeros inorgânicos seja

válida e promissora, o uso de polímeros inorgânicos na construção e materiais de

construção ainda não é popular porque o preço de metacaulim, a mais eficaz matéria-prima

para a reação álcali-ativada, é muito elevado.

Skaf (2008), ao estudar a influência de matérias-primas diferentes na

microestrutura e resistência de compósitos geopoliméricos, confirmou a capacidade que o

cimento geopolimérico apresenta de adquirir altas resistências logo nas primeiras horas de

cura. O rápido processo de polimerização do geopolímero faz com que ele adquira alta

resistência à compressão logo nas primeiras idades, diferentemente de compósitos com cimento

Portland, que ganham resistência de acordo com o seu processo de hidratação (mais lento que o

da geopolimerização).

Silva (2006 apud SKAF, 2008) avaliou a resistência à tração por compressão

diametral e à tração na flexão para o concreto com cimento geopolimérico e com cimento

Portland. Comparando esses resultados, verificou que a resistência à tração para o concreto

com cimento Portland foi 15% inferior ao obtido para o concreto geopolimérico. Na flexão,

apresentou um valor bem próximo, mas ainda assim inferior ao obtido pelo geopolimérico.

3.4.4 Efeito da granulometria na resistência mecânica dos geopolímeros

Segundo Torgal (2007), estudos demonstram a relação da finura Blaine na

resistência mecânica do geopolímero. Concluíram, então, que, entre os vários parâmetros

influentes na resistência dos geopolímeros, a finura Blaine foi a de menor interferência a

depender da matéria-prima de origem. Em estudos com metacaulim como matéria-prima, a

finura Blaine leva a um aumento da resistência mecânica do geopolímero formado, pois

essa operação coloca à disposição quantidades maiores de alumínio para reagir com o

ativador alcalino. Portanto, significa dizer que mais grupos tetraédricos, capazes de atrair

68

grupos de carga negativa, formar-se-ão e, por conseguinte, aumentarão a quantidade de

espécies para reagir. No caso de escória de alto forno com maior finura Blaine, significando

maior capacidade de reação, mas ao mesmo tempo maior necessidade de água (de

hidratação), resulta em maior porosidade do geopolímero formado; consequentemente,

menor resistência mecânica. Os resultados refletem um comportamento diferente de acordo

com os dois grupos principais estudados de materiais suscetíveis de alcalina ativação.

As pozolanas podem contribuir para o ganho de resistência mecânica e redução

de água para a trabalhabilidade devido ao efeito físico das partículas na distribuição

granulométrica do sistema. Esse fenômeno é mais acentuado para pozolanas mais finas,

como a sílica ativa e o metacaulim. Este último possui diâmetro médio das partículas em

torno de 2,0 μm, enquanto o cimento Portland, 45 μm.

A distribuição granulométrica influenciará principalmente no empacotamento e

na distribuição das partículas que irão reagir com o hidróxido de cálcio livre ou servirão de

material particulado que preencherá vazios intersticiais. Mesmo o material pozolânico que

não reagiu pode ter a função de fíler (GOLDMAN, 1992 apud NITA, 2007).

3.4.5 Efeito da temperatura e tempo de calcinação na resistência mecânica dos

geopolímeros

Chen et al. (2009) afirma que o efeito da temperatura de calcinação é

significativo na resistência do geopolímero formado, sendo afetado pela finura das

partículas componentes, dependendo, portanto, da área de superfície específica da matéria-

prima do geopolímero.

Torgal et al. (2009), ao estudar aspectos relacionados com a influência do tempo

e a temperatura de calcinação (de lama misturada com resíduos de minas de carbonato de

sódio) no desempenho da resistência à compressão de argamassas álcali-ativadas, observou

que, quando a calcinação não conduz o material ao elevado grau de desidroxilação, há

comprometimento da reatividade e, consequentemente, da resistência mecânica da

argamassa. Provavelmente isso ocorre devido à ineficiência na combinação química quando

da álcali-ativação. Portanto, concluiu que o processo de hidratação é influenciado pelo grau

de reatividade térmica.

69

3.4.6 Efeito da temperatura e umidade no desenvolvimento da resistência mecânica

dos geopolímeros

A umidade é um dos importantes fatores de cura. Quando as amostras estão

diretamente expostas ao ar durante a cura, uma grande perda de água ocorre a partir da

superfície das amostras, desenvolvendo a formação de fissuras por retração na superfície.

No entanto, fissuras de retração não estão presentes se a amostra é curada em locais que

preservam a umidade. Embora a condição de cura hidrotermal não altere o comportamento

cristalino do geopolímero significativamente, a cura prolongada resulta em declínio da

resistência à compressão. Assim, as condições ambientais, especialmente a umidade e a

temperatura, devem ser levadas em consideração na aplicação deste novo material

(ZUHUA, 2008).

Se curados a elevadas temperaturas, os geopolímeros apresentam ganho de

resistência rapidamente. Esse acelerado desenvolvimento da resistência parece depender

principalmente da matéria-prima e do agregado usado. A quantidade de alumínio disponível

para reações geopoliméricas parece ter um efeito dominante no controle e ajuste do tempo

de pega (SILVA et al., 2007).

3.4.7 Módulo de elasticidade dos geopolímeros

O módulo de elasticidade estático dos geopolímeros foi estudado e determinado

por Torgal (2007) de acordo ASTM C469 e LNEC E397-1993. Alguns autores consideram

a granulometria (finura) do agregado como o componente mais importante e influente na

determinação dessa propriedade. Davidovits (2002) afirmou ter havido diminuição de tal

propriedade com o aumento da razão molar de Si/Al na mistura, pois diferentes relações

podem gerar diferentes produtos de hidratação e formação de estruturas diferentes.

3.4.8 Permeabilidade dos geopolímeros

Análises realizadas no microscópio eletrônico de varredura (DIAS, 2001)

revelaram que o cimento geopolimérico possui microestrutura interna mais compacta em

relação à do cimento Portland. Essa menor porosidade tem por efeito melhorar não somente

as propriedades mecânicas, mas também a durabilidade do material. O cimento

geopolimérico também apresentou uma rede de poros capilares bastante descontínua, o que

70

proporcionou maior resistência à penetração de agentes externos, que são à base dos

fenômenos de hidrólise, de lixiviação ou de expansão, e que prejudicam o concreto exposto

a determinados tipos de ambientes agressivos (DIAS, 2001).

Yunsheng et al. (2008), através de pesquisas realizadas, afirmaram que os

geopolímeros possuem baixa permeabilidade, comparável até à de granito natural.

3.4.9 Resistência à abrasão dos geopolímeros

Estudos de resistência ao desgaste mostraram que as perdas de massa por abrasão

superficial sofridas pelo cimento geopolimérico foram 50% menores que aquelas

apresentadas pelo cimento Portland convencional (SILVA et al., 2000). Estudos realizados

com agregados densos mostraram que a abrasão em concretos de cimento geopolimérico é

o dobro daquelas apresentadas pelos concretos com cimento Portland, igualando-se também

à dos granitos de melhor qualidade. A razão da alta resistência à abrasão com esse tipo de

agregado deve-se à afinidade química durante a geopolimerização do cimento, promovendo

ligação química entre a pasta e o agregado. A qualidade dessa ligação (interface pasta-

agregado) é bem superior à de diferentes tipos de concreto de cimento Portland, cuja

interface é formada por uma zona de transição porosa e rica em hidróxido de cálcio, que é

um material frágil e de baixa resistência.

3.4.10 Durabilidade das pastas, argamassas e estruturas de concreto geopolimérico

Uma pesquisa realizada por Roy (1999) sobre a durabilidade das construções

antigas na Itália, Grécia e Egito demonstra que, quando reparadas com concretos modernos,

a durabilidade do acabamento atual é inferior à do antigo (muitas vezes, com mais de 2.000

anos). O concreto com cimento Portland inicia sua deterioração em apenas 10 anos. O

mesmo não ocorre com as construções antigas por conta da presença de analcima em

concretos, a exemplo dos romanos. A presença de zeólitas em diferentes cimentos antigos

sugere uma fase final estável na conversão dos materiais utilizados nesses concretos antigos

(materiais álcali-ativados similares aos geopolímeros), daí sua superioridade na

durabilidade quando comparados às argamassas e concretos de cimento Portland.

Duxson et al. (2007), em pesquisa realizada sobre o papel da tecnologia de

polímeros inorgânicos no desenvolvimento de "concreto verde", diz que há restrições de

71

aceitação generalizada da tecnologia dos geopolímeros, ainda que esse material mostre-se

com boas propriedades de resistência química e de durabilidade. Essas restrições de

aceitação ocorrem em função de os estudos nesse campo de pesquisa ainda serem

relativamente jovens (aproximadamente 20 anos). Trabalhos no sentido de resolver essas

questões estão em curso, com ensaios de durabilidade acelerada expondo os geopolímeros a

vários cenários agressivos (à lixiviação acelerada, ao ataque de cloretos – incluindo água do

mar – e vários ácidos, álcalis e sulfatos). Os resultados mostraram os geopolímeros como

sendo um material promissor em relação aos ataques por sais, comparando-os aos concretos

de alto desempenho. No mesmo estudo, ainda é dada especial atenção ao papel dos álcalis

livres e do silicato em sistemas mal formulados e seus efeitos deletérios sobre o

desempenho do concreto, o que exige uma melhor compreensão da química da

geopolimerização para a tecnologia ter sucesso em sua aplicação.

Estudos realizados por Miranda et al. (2005), que têm o objetivo de verificar a

corrosão em estruturas de concreto armado reparadas com argamassas geopoliméricas,

mostram a viabilidade de tais argamassas devido à sua elevada alcalinidade (superior até

mesmo à do concreto tradicional), posicionando-se concomitantemente ao aço e ao

concreto geopolimérico na região de passividade do diagrama de Pourbaix. Foram

monitorados alguns corpos-de-prova quanto ao potencial de corrosão, e as respostas foram

de que o uso das argamassas geopoliméricas do reparo garantiram níveis insignificantes de

corrosão das armaduras com plena e estável passivação das armaduras.

Oliveira (2005 apud SKAF, 2008) afirma que, por possuir uma microestrutura

com rede mais massiva e densa, a matriz geopolimérica tem sua durabilidade menos

comprometida do que a matriz com cimento Portland. Esta última é formada por diferentes

fases, sendo algumas cristalinas, de baixa resistência e porosidade elevada, o que faz com

que as resistências dessas fases sejam muito inferiores às do geopolímero. Isso ocorre

devido à microestrutura porosa que compromete a durabilidade do compósito ao expor as

fases aos ataques agressivos, à lixiviação ou mesmo a uma reação expansiva (formação de

etringita retardada), que leva à fissuração da matriz, fato que não ocorre com a matriz

massiva dos geopolímeros.

Os geopolímeros apresentaram durabilidade diferente quando expostos a

soluções de sulfato. Mauri et al. (2009), ao realizar o estudo da degradação de argamassa

72

geopolimérica mediante ataques químicos por soluções de sulfatos (de cálcio, de sódio e de

magnésio) após diversos ciclos de imersão na solução agressiva e posterior secagem ao ar,

mostrou que os geopolímeros apresentaram reduzida resistência ao sulfato de cálcio e

magnésio, porém bom desempenho em ambientes sulfatados por sulfatos de sódio. Foi

ainda verificada a influência da matéria-prima na durabilidade das argamassas quando

expostas a esses agentes deletérios em comparação à de outros geopolímeros observados na

literatura.

A pesquisa realizada por Bakharev (2004) sobre a durabilidade dos geopolímeros

quando expostos à solução de sulfato de sódio observou um bom desempenho dos

geopolímeros nessas condições, atribuindo esse resultado à estrutura estável do polímero de

alumínio formado e da estrutura massiva. A pesquisa afirmou também que a estabilidade

dependeu da matéria-prima utilizada na formação do geopolímero, do tipo de ativador

utilizado na preparação das amostras e da concentração da solução de sulfato. Esses corpos

de prova tiveram aumento de resistência quando imersos em soluções de sulfato. O bom

desempenho foi atribuído a uma melhor estabilidade da estrutura do polímero de alumínio

formado.

Bakharev (2004) investigou ainda a durabilidade dos geopolímeros quando

expostos à solução de ácido acético e sulfúrico. Os principais parâmetros estudados

referentes a essa propriedade foram: a evolução do peso, a degradação e a mudança da

microestrutura. A degradação foi estudada usando difração de raios X (XRD),

espectroscopia no infravermelho (FTIR) e microscopia eletrônica de varredura (MEV).

Chegou-se à conclusão de que o desempenho dos materiais geopoliméricos, quando

expostos à solução ácida, foi superior ao dos materiais com cimento Portland comum. A

deterioração dos materiais geopoliméricos em meio ácido está ligada à despolimerização de

alumínio.

Lee e Deventer (2002 apud TORGAL et al, 2007) estudaram a influência de

substâncias inorgânicas em misturas álcali-ativadas que tinham como matéria-prima cinzas

vulcânicas e caulim, relatando que a durabilidade das argamassas geopoliméricas formadas

foram negativamente afetadas por sais de cloreto. Isso ocorreu devido à formação de

cristais no interior da estrutura do geopolímero, os quais diminuíram a resistência do

material.

73

CCaappííttuulloo 44..

PPRROOGGRRAAMMAA EEXXPPEERRIIMMEENNTTAALL:: CCAARRAACCTTEERRIIZZAAÇÇÃÃOO DDAA MMAATTÉÉRRIIAA--

PPRRIIMMAA DDOOSS GGEEOOPPOOLLÍÍMMEERROOSS

4.1 Introdução

O programa experimental desta pesquisa foi realizado em duas etapas: a primeira

foi desenvolvida com vistas à obtenção de parâmetros que caracterizassem o geopolímero e

sua matéria-prima, o metacaulim. Na segunda etapa, foi verificado o comportamento

mecânico e de aderência do sistema reparo/substrato (Capítulo 5). Com vistas à obtenção de

parâmetros que caracterizassem o geopolímero e sua matéria-prima, o caulim calcinado,

procedeu-se, então, a realização de vários ensaios, tais como Difração de Raios X (DRX),

Granulometria a Laser, Área Superficial por absorção de N2 (BET), Análise

Termogravimétrica (TG/DTG), Análise Térmica Diferencial (ATD) e Calorimetria

Exploratória Diferencial (DSC), Espectroscopia de Fluorescência de Raios X e Microscopia

Eletrônica de Varredura (MEV).

4.2 Obtenção do Caulim

A matéria-prima utilizada na produção do geopolímero (argamassa de reparo

utilizada no programa experimental) tem como origem o caulim calcinado – metacaulim.

O caulim é um solo argiloso composto por aluminossilicatos lamelares e naturais,

basicamente formado pela caulinita, resultante da alteração química das rochas feldspáticas

(por intemperismo ou meteorização e ações hidrotérmicas).

O caulim foi obtido diretamente de uma mineradora, extraído de uma jazida

situada na cidade de Itamarajú, no sul do estado da Bahia, onde ocorrem grandes depósitos

desse material. Conforme citado por Bertolino (2000), as minas localizadas nessa região

são constituídas por uma sequência de aproximadamente 30m de espessura, contendo

aproximadamente 100 milhões de toneladas de minério.

Os depósitos nesta região pertencem a uma grande unidade geológica

denominada Grupo Barreiras, formada por extensos depósitos de sedimentos terrígenos

74

dispersos na forma de tabuleiros em patamares ligeiramente inclinados para o litoral. Os

sedimentos são constituídos por camadas de espessura variada de sedimentos arenosos de

coloração bege ou levemente esbranquiçada, ricos em caulinita e quartzo. A Figura 4.1

mostra a localização da cidade de Itamarajú – BA.

(a) Localização – Itamarajú/BA. (b) Localização – Detalhe.

Figura 4.1: Localização da cidade de Itamarajú – BA. Fonte: IBGE, 2009.

Para o desenvolvimento da pesquisa, foram utilizados os três tipos de caulim

beneficiados pela empresa, denominados de Caulim Coat 87 (Tipo A), Coat 90 (Tipo B) e

Extrafino (Tipo C).

No processo de beneficiamento do caulim, é realizada uma separação magnética

para eliminar impurezas mineralógicas e um tratamento para remover o ferro presente no

minério, com objetivo de elevar o índice de alvura. A diferença entre os caulins se deve ao

percentual na composição de sílica e da alumina, em que a razão molar SiO2/Al2O3 é

diferente para cada tipo, o que pode significar um razoável grau de heterogeneidade

resultante de diferentes graus de meteorização1 na jazida.

1 Meteorização é o processo natural de decomposição ou desintegração de rochas e solos, e seus minerais constituintes, por ação dos efeitos químicos, físicos e biológicos que resultam da sua exposição ao fatores ambientais.

75

Na Figura 4.2 observa-se o caulim beneficiado e ensacado para comercialização

(a) Caulim beneficiado. (b) Caulim ensacado para comercialização.

Figura 4.2: Caulim da Mineração Monte Pascoal. 4.3 Obtenção do Metacaulim

A produção do metacaulim foi realizada em três etapas. A primeira delas tinha o

objetivo de caracterizar e escolher a temperatura ideal de calcinação e o melhor tempo de

queima de cada um dos tipos de caulim, baseando-se em ensaios de difração de raios X,

conforme recomenda Saboya (1997). A segunda etapa foi realizada com o objetivo de

produzir metacaulim suficiente para ser utilizado no programa experimental. A terceira e

última etapa foi a moagem do metacaulim produzido, com o objetivo de aumentar sua área

específica superficial e aumentar sua reatividade.

4.3.1 Calcinação inicial – definição da temperatura e do tempo de queima

Os diferentes caulins foram calcinados a temperaturas e tempos de queima

diferentes, visando determinar o tempo ótimo para produção do melhor metacaulim. Essa

etapa da pesquisa foi realizada no Instituto de Química da Universidade Federal da Bahia.

Objetivo: transformar o caulim em metacaulim, através da distorção da estrutura

cristalina por meio de temperatura.

Identificação do Equipamento: Forno: Mufla; Marca: Lavosier Quimis®;

Modelo: 402D, 220 V, 3960 W, Range [100; 1200]ºC.

Procedimento: os cadinhos com as amostras foram colocados em mufla nas

temperaturas especificadas (500ºC, 600ºC e 700ºC), por períodos de espera pré-definidos

(1h, 2h, 3h e 4h), totalizando 36 amostras, conforme Figura 4.3. Em seguida essas amostras

76

foram retiradas da mufla e resfriadas naturalmente em dessecador até o momento do ensaio

de difração de raios X.

(a) Pesagem do caulim. (b) Calcinação do caulim. (c) Metacaulim no dessecador.

Figura 4.3: Etapas da calcinação do caulim: (a) pesagem; (b) calcinação e (c) resfriamento.

A Figura 4.4 ilustra o organograma com a metodologia utilizada para a

calcinação das diferentes amostras.

77

Figura 4.4: Organograma da calcinação, em que diferentes tipos de caulim foram submetidos a tratamentos térmicos, a diferentes temperaturas e tempos de queima.

78

4.3.2 Calcinação final – produção do metacaulim

Com a melhor temperatura e o tempo de queima já definidos, o caulim foi

calcinado. Esta etapa da pesquisa foi realizada nas instalações do CEPED – Centro de

Pesquisa e Desenvolvimento do Estado da Bahia.

Objetivo: transformar o caulim em metacaulim, através da distorção da estrutura

cristalina por meio de temperatura, em quantidade suficiente para caracterização (química e

física) e para a produção das argamassas geopoliméricas de reparo.

Identificação do Equipamento: Forno Mufla; Marca: JUNGO; Modelo: 7013,

Range [100; 1300]ºC.

Procedimento: uma massa de aproximadamente 2000 gramas foi colocada em

uma bandeja cerâmica, posteriormente colocada na mufla e mantida a uma temperatura de

600ºC, pelo período pré-definido de 4 horas. Em seguida, esse material foi resfriado

naturalmente até chegar à temperatura de aproximadamente 100ºC e, depois, colocado no

moinho de bolas para moagem, por 30 min. A Figura 4.5 mostra as etapas da calcinação

definitiva.

(a) Pesagem do caulim para calcinação. (b) Caulim na bandeja cerâmica.

(c) Caulim na mufla para calcinação. (d) Programação da mufla para calcinação.

Figura 4.5: Preparação do caulim para calcinação

79

4.3.3 Moagem do Metacaulim

Após a calcinação, ou seja, a produção dos diferentes metacaulins, foi iniciado o

processo de moagem do metacaulim. Essa etapa da pesquisa foi realizada nas instalações do

CEPED – Centro de Pesquisa e Desenvolvimento do Estado da Bahia.

Objetivo: reduzir o tamanho das partículas do metacaulim.

Identificação do equipamento: moinho de bolas (motor de 1,5 cv/220v/60Hz)

com jarra de aço e diâmetro de 30 cm; com carga (corpos moedores) composta por 23 kg de

bolas de aço com diâmetros diferentes.

Procedimento: o ensaio consistiu em colocar 2 kg de metacaulim na jarra de aço

juntamente à carga, por um tempo de moagem de 30 minutos, girando a 60 rpm. A

temperatura inicial foi de 100ºC e a relação carga/material igual a 9,2. Estas variáveis,

temperatura, velocidade de rotação, tempo de moagem e carga, foram mantidas constantes

durante o processo. A Figura 4.6 mostra a moagem do metacaulim.

(a) Moinho de Bola. (b) Carga – Bolas de Aço. (c) Metacaulim moído.

Figura 4.6: Processo da moagem: (a) vista do Moinho de Bolas; (b) vista da carga; e (c) vista do metacaulim moído. 4.4 Caracterização do Caulim e do Metacaulim

O caulim adquirido da mineradora e o metacaulim produzido foram

caracterizados por diversos ensaios, tais como difração de raios X (DRX), granulometria a

laser, determinação da área superficial específica (BET), análise térmica (TG/DTG e

DTA/DSC), espectroscopia por florescência de raios X e microscopia eletrônica de

varredura (MEV).

As técnicas utilizadas para caracterizar o caulim e o metacaulim evidenciaram as

modificações ocorridas no caulim ao ser tratado termicamente: processo de desidroxilação

e transformação em material amorfo com elevada reatividade (metacaulim). A progressiva

80

desidroxilação está associada à transformação da estrutura de combinação do alumínio com

o oxigênio, passando de uma fase estável de geometria octaédrica (com grupos de

hidroxilas no centro), para uma fase instável de geometria tetraédrica com átomos de

oxigênio apenas nos vértices. Essa nova configuração possui déficit de carga elétrica,

conferindo grande capacidade de combinação ao alumínio.

4.4.1 Difração de raios X

A difração de raios X (DRX) é a principal técnica utilizada para identificação

mineralógica de amostras de caulim (GOMES DA SILVA, 2008).

Objetivo: caracterizar e definir a temperatura de queima e tempo ótimo de

calcinação para obtenção do metacaulim, com menor grau de cristalinidade ou maior

amorfismo, ou seja, com maior reatividade.

As amostras analisadas foram:

• Caulim: 03 amostragens, uma amostragem de cada um dos caulins

adquiridos da Mineração Monte Pascoal S.A.: Caulim Coat 87 (Tipo A),

Caulim Coat 90 (Tipo B), Caulim Extrafino (Tipo C);

• Metacaulim: 36 amostragens, uma de cada um dos diferentes metacaulins,

obtidos da calcinação dos caulins adquiridos a diferentes temperaturas e

tempos de permanência.

Preparação da Amostra: pequenas partes das amostras de caulim e de metacaulim

foram maceradas manualmente com o auxílio de almofariz e pistilo, até serem reduzidas a

um pó muito fino (cerca de 1,0 g), posteriormente colocado no amostrador do equipamento.

Identificação do Equipamento: Marca: Shimadzu; possui difratrômetro

XRD6000, com radiação CuKα, voltagem 40kV e corrente de 30mA, com Varredura entre

2θ (00o) e 2θ (80o), varredura com passo de 0,02 e tempo de coleta de 1 segundo por passo.

Os compostos foram identificados pelas análises dos difratogramas que foram feitas com

auxílio do programa Crystallographica Search-Match (programa de biblioteca de padrões) e

confrontados com dados publicados na literatura.

Na Figura 4.7, observa-se os difratogramas dos diferentes metacaulins (Tipo A;

B e C) calcinados a 600oC por 4 horas. Esses difratogramas representam os metaculins mais

amorfos entre todos os analisados, sendo superados apenas pelos metacaulins calcinados a

81

700oC com o mesmo tempo de espera (4 horas). Porém, o uso destes últimos foi descartado,

pois apresentam um custo de produção maior que os primeiros, em função do maior

consumo de energia para o aumento da temperatura de calcinação (de 600oC para 700oC).

0 10 20 30 40 50 60 70 80

2θ (graus)

Metaculim C (600O por 4 h) Metaculim B (600O por 4 h) Metaculim A (600O por 4 h)

(a) Difratogramas dos Metacaulins.

0 10 20 30 40 50 60 70 80

2θ (graus)

Metaculim C (600O por 4 h) Metaculim B (600O por 4 h) Metaculim A (600O por 4 h)

(b) Sobreposição dos difratogramas dos metacaulins.

Figura 4.7: Difratograma obtido dos dados de difração do Metacaulim do Tipo A, calcinado durante 4 horas a 600oC: (a) Difratogramas dos caulins. (b) Sobreposição dos difratogramas.

82

Analisando os difratogramas é possível constatar que o metacaulim Tipo A é o

que apresenta maior amorfismo e, consequentemente, maior reatividade, ao ser comparado

com os outros. Logo, o metacaulim Tipo A (calcinado durante 4 horas a 600oC) foi a

matéria-prima escolhida como precursora na produção do geopolímero utilizado no

programa experimental.

Na Figura 4.8, estão ilustrados os difratogramas do metacalim do Tipo A, por ter

sido o escolhido como o de maior reatividade.

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Temperatura: 500OC Temperatura: 600OC Temperatura: 700OC

2θ(graus)0 10 20 30 40 50 60 70 80

Temperatura: 500OC Temperatura: 600OC Temperatura: 700OC

2θ(graus)

(a) 1 hora. (b) 2 horas.

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Temperatura: 500OC Temperatura: 600OC Temperatura: 700OC

2θ(graus)0 10 20 30 40 50 60 70 80

Temperatura: 500OC Temperatura: 600OC Temperatura: 700OC

2θ(graus)

(c) 3 horas. (d) 4 horas.

Figura 4.8: Difratogramas do Metacaulim do Tipo A, após calcinação durante: (a) 1 hora; (b) 2 horas; (c) 3 horas e (d) 4 horas.

83

Com os recursos disponíveis não foi possível diferenciar com precisão os

componentes das amostras a partir dos difratogramas de raios X, porém, qualitativamente,

os halos de amorfismo obtidos a partir de determinada fase do tratamento térmico são

indicadores de uma formação de material com características diferentes da matéria-prima

original, mostrando que a calcinação realizada foi satisfatória.

Com o aumento da temperatura, o caulim perdeu sua estrutura cristalina,

passando para uma estrutura desordenada. Isso pode ser observado nos difratogramas pela

diminuição ou até ausência de picos (provavelmente de quartzo) em que a baixa

temperatura persistia (2θ de 10º a 20º) e pelo fato de o aumento da temperatura e do tempo

de calcinação, os picos tornaram-se ausentes, caracterizando provavelmente a

transformação da caulinita em metacaulinita, fator importante para o processo de

geossíntese (SOUZA, 2009). Observa-se, também, o desvio da linha base entre 2θ de 15º a

30º nos difratogramas a 700ºC, que é indicativo, segundo Tashima (2006), da

amorficidade do material.

Na busca de confirmar e quantificar a fração de amorfos nas amostras dos

diferentes metacaulins, foi realizado um refinamento do ensaio através do método de

Rietveld (Tabela 4.1).

Tabela 4.1: Análise do teor de amorfos presentes nos diferentes tipos de metacaulim (Método de Rietveld).

Nome da Fase (%) na amostra de metacaulim

Tipo A Tipo B Tipo C Muscovita 1M 8,33 3,56 4,00 Fluorita 0,00 0,00 0,00 Caulinita 1A 45,89 48,53 42,00 Pirofilita 2M 0,00 5,53 8,00 Anatásio 0,00 0,00 2,00 Amorfo 45,78 42,38 44,00 Somatório 100,00 100,00 100,00

Os resultados indicaram um teor de amorfos de 45,78%; 42,38% e 44,00% para

os Tipos A, B e C respectivamente (Tabela 4.1). Confirma-se, então, que o melhor

metacaulim para produção do geopolímero é o do Tipo A, por ter apresentado maior teor de

amorfos em relação aos demais metacaulins analisados.

84

4.4.2 Granulometria a Laser

As curvas granulométricas dos três tipos de caulim utilizados nos experimentos

foram obtidas por meio do granulômetro a laser MasterSizer 2000. Os ensaios foram

realizados no Labest – Laboratório de Estrutura da COPPE/UFRJ, com agitação de 1500

rpm e ultrassom ligado durante o ensaio, garantindo dispersão constante do material. O

resultado foi apresentado em forma de gráficos e tabelas.

A Figura 4.9 mostra a sequência do ensaio realizado no Labest da COPPE/UFRJ.

Etapas Descrição

Equipamento: Granulômetro a laser – MasterSizer 2000

Preparação do ensaio: Na preparação do ensaio coloca-se a amostra (aproximadamente 1g de caulim) em recipiente próprio contendo água destilada. Esse recipiente

é, então, colocado na base do equipamento, e a haste misturadora é inserida no recipiente.

Início do ensaio: A solução (água destilada + caulim) é misturada continuamente e, através de um mecanismo, a solução é succionada para dentro do

aparelho, onde são realizadas as medidas da granulometria do material por laser.

Saída de dados: A saída dos dados é tratada por um software específico, em que os

gráficos são produzidos em tempo real.

Figura 4.9: Ensaio de granulometria a Laser, realizado no Labest/COPPE/UFRJ.

85

Na Figura 4.10, observa-se a distribuição granulométrica para as amostras dos

caulins utilizados no programa experimental.

0,1 1 10 100 10000

20

40

60

80

100

Vol

ume

Ret

ido

(%)

Tamanho das Partículas (μm)

Caulim Tipo A Caulim Tipo B Caulim Tipo C

Figura 4.10: Curvas granulométricas dos diferentes tipos de caulim (Tipo A, B e C) utilizado no programa experimental.

Na Tabela 4.2, apresentam-se os dados obtidos da análise das curvas

granulométricas dos caulins.

Tabela 4.2: Tratamento dos dados de granulometria a laser do caulim.

% Passante Acumulado

Tamanho dos Grãos (μm)

Caulim A Caulim B Caulim C d10

2 1,666 1,076 1,840 d50 4,239 4,157 5,470 d90 17,782 17,511 15,338

2 d

10 (tamanho abaixo do qual se situam 10% da massa do material)

86

Ao analisar a composição granulométrica dos três caulins, observa-se que as

amostras possuem elevada finura. Os caulins A e B apresentam diâmetros bem próximos,

com relação à d10, d50 e d90. Quanto ao tamanho das partículas o sistema pode ser

classificado como: Pó – partículas de 1 a 44μm.

Em função da limitação do tempo e indisponibilidade do equipamento

(Granulômetro a Laser) para novas análises, esse ensaio não foi realizado para os

metacaulins. Porém, seria de se esperar a presença de uma quantidade maior de grãos com

diâmetros menores nas amostras calcinadas, pois a ativação térmica promove a quebra de

ligações, diminuindo, assim, o tamanho da estrutura das partículas, além do processo de

moagem pelo qual esse material passou (FREITAS, 2005).

4.4.3 Área Superficial Específica

As superfícies específicas dos caulins (Tipos A, B e C) e do metacaulim (Tipo A)

foram determinadas pelo método B.E.T. (Brunauer, Emmett e Teller), em equipamento

Micromeritics Gemini 2360, no LACQUA - Laboratório de Catálise e Química Ambiental

do Instituto de Química da COPPE/UFRJ.

Na Tabela 4.3, observam-se os dados comparativos da superfície específica entre

o metacaulim A e os caulins estudados.

Tabela 4.3: Comparação da superfície específica do metacaulim tipo A e dos caulins A, B e C.

Material Superfície específica B.E.T.

(m2/g)

Metacaulim A 15,3393 Caulim A 14,2856 Caulim B 16,1412 Caulim C 28,6066

Além da composição mineralógica, a finura, o tamanho de suas partículas e a

área específica da matéria-prima para a produção dos geopolímeros são fatores

extremamente importantes ao desenvolvimento das reações de geosíntese e têm sido

reportados em alguns artigos específicos; tal comportamento é, entretanto, previsível, uma

vez que, ao se incrementar a finura, tem-se, consequentemente, um aumento da área de

reação do material no processo de geopolimerização.

87

A relação da área superficial com o aumento da reatividade foi observada por

Cordeiro (2001), que obteve os melhores resultados nas pozolanas com maior superfície

específica.

Observando a área específica superficial obtida para o caulim Tipo A, percebe-se

um acréscimo de 7,38% após o processo de calcinação a 600oC por 4 horas. Esse

comportamento pode ser explicado também pela presença das placas características da

metacaulinita no intervalo de 350oC a 620oC, em que ocorre a desidroxilação do caulim,

responsável pelos valores mais elevados da área superficial específica (MOTHÉ, 2004).

4.4.4 Análise Termogravimétrica

Como diferentes compostos químicos sofrem transformações em diferentes

temperaturas características, conhecendo-se aproximadamente a composição química do

material, caso do metacaulim, é possível quantificar a presença de fases pela perda de

massa a dada temperatura.

Objetivo: verificar e ratificar a presença de compostos encontrados nos ensaios

de DRX; avaliar a perda de massa das amostras em função do incremento da temperatura,

ou seja, o comportamento térmico através das transformações de fases das amostras, além

das mudanças químicas acompanhadas de efeitos endotérmicos e exotérmicos e, assim,

compará-los entre si, determinando a faixa de temperatura de transformação da caulinita em

metacaulinita e o início de sua recristalização.

Preparação da amostra: para a obtenção de curvas TG/DTG, pequenas partes das

amostras de caulim e de metacaulim foram maceradas manualmente com o auxílio de

pistilo e de almofariz, até as reduzir a um pó muito fino; na seqüência, o pó obtido

(aproximadamente 10 mg) foi colocado no porta-amostra para execução do ensaio.

Identificação do Equipamento: SQT 600, com termobalança analítica modelo

STA 600Q da Instrument Specialists Incorporated (ISI), com calorimetria diferencial de

varredura (DSC) modelo DSC Q20. O ensaio foi realizado no Labest - Laboratório de

Estrutura da COPPE/UFRJ.

Condições do ensaio: os ensaios foram realizados em atmosfera de 50 ml/min de

N2 e 20 ml/min de ar sintético, com taxa de aquecimento de 10°C/min, com temperatura

88

variando de 30°C a 1200°C. A Figura 4.11 ilustra as amostras colocadas em dessecador até

o momento da análise e o equipamento utilizado.

(a) Amostras na Dessecadora (b) Equipamento de Análise Térmica

Figura 4.11: Ensaio de Análise Termogravimétrica realizado no Labest/COPPE/UFRJ.

(a) identificação das amostras; (b) vista frontal do equipamento.

TG e DTG do Caulim

Segundo Souza Santos (1975), em termogramas esquemáticos de argilominerais

a 100°C, há perda de água adsorvida e de umidade; a 450°C, iniciam-se as reações de

desidroxilação e, nesta condição, forma-se a metacaulinita (amorfa) com algumas estruturas

residuais à difração de raios X. A metacaulinita ainda mantém a forma de placas

hexagonais da caulinita original; com a perda da hidroxila da caulinita original, há apenas

uma diminuição de cristalinidade com pequena distorção dos íons-alumínio na camada

octaédrica.

Observa-se na Figura 4.12 que todas as amostras apresentam comportamento

semelhante, identificando-se três estágios. No primeiro, tem-se patamares semelhantes para

os três caulins ensaiados, até as temperaturas de 350°C, 380°C e 275°C para os caulins dos

Tipos A, B e C, respectivamente; porém, pequena perda de massa é registrada (entre 40°C a

100°C), sendo provocada pela perda da umidade e da água absorvida superficialmente em

todos os materiais analisados. No segundo estágio, a temperaturas superiores às informadas

(350°C, 380°C e 275°C, para os caulins dos Tipos A; B e C respectivamente), inicia-se o

processo de decomposição térmica do material, momento acompanhado por perda de massa

com eliminação da água de constituição e liberação dos componentes voláteis. O terceiro

89

estágio ocorre após as temperaturas de 620°C; 740°C e 710°C para os caulins dos Tipos A,

B e C, respectivamente, quando se verifica novamente a estabilidade térmica do material.

Figura 4.12: Gráficos das Análises Térmicas (TG e DTG) das amostras de caulim beneficiado.

A altura do pico da curva a qualquer temperatura, além de fornecer a velocidade

da reação, fornece ainda a razão de variação de massa naquela temperatura e a área do pico

sob a curva DTG é diretamente proporcional à variação de perda de massa. Sendo assim,

observa-se que o caulim B teve a maior perda de massa (13,50%) entre as amostras

analisadas.

Observa-se na Tabela 4.4 um resumo de algumas características retiradas da

termogravimetria, em que se nota semelhança nas temperaturas de pico dos diferentes

caulins. Nestas temperaturas, a taxa de variação é máxima e, teoricamente, é a partir delas

que não se encontra mais caulinita, passando a existir a metacaulinita. Essa transformação

está relacionada à desidroxilação desse material, ou seja, não há vestígios de estrutura

cristalina, somente estruturas amorfas, característica da metacaulinita.

90

Tabela 4.4: Dados obtidos das curvas de TG e DTG do caulim.

Características Tipo de Caulim

A B C

Temp. de decomposição inicial (°C) 350,00 380,00 275,00

Temp. de decomposição final (°C) 620,00 740,00 710,00

Temp. de pico (°C) 498,84 500,25 484,27

Perda de massa (%) 12,68 13,50 12,95

Massa residual 76,65 80,19 80,57

O metacaulim obtido à temperatura bem próxima daquela da efetiva

desidroxilação do caulim deve possuir maior reatividade do que os outros, obtidos após

tratamento térmico, realizados a temperaturas superiores.

TG e DTG do Metacaulim

Para verificar a eficiência da calcinação, novas análises termogravimétricas foram

realizadas, agora com os metacaulins antes e após a moagem (calcinados à temperatura de

600°C, por 4 horas), conforme Figura 4.13 e Figura 4.14, respectivamente.

Figura 4.13: Gráficos das Análises Térmicas (TG e DTG) das amostras dos metacaulins antes da moagem.

91

Figura 4.14: Gráficos das Análises Térmicas (TG e DTG) das amostras de metacaulim após moagem.

Na Tabela 4.5, encontra-se um resumo dos dados obtidos das curvas de análise

termogravimétrica do metacaulim antes e após a moagem.

Tabela 4.5: Dados obtidos das curvas de TG e DTG do metacaulim antes e após a moagem.

Características Tipo de metacaulim antes da

moagem Tipo de metacaulim após a

moagem A B C A B C

Temp. de decomposição inicial (°C) 375,00 380,00 260,00 360,00 300,00 260,00

Temp. de decomposição final (°C) 810,00 810,00 880,00 800,00 780,00 800,00

Temp. de pico (°C) 498,59 497,14 480,30 494,95 496,88 479,12

Perda de massa (%) 5,67 9,09 6,76 6,90 6,63 6,76

Massa residual 92,26 88,97 91,68 90,77 90,34 91,87

Observa-se, então, que o metacaulim do tipo A obteve melhor resultado,

apresentando menor perda de massa, antes da moagem, em relação aos outros metaculins

estudados, porém o processo de calcinação não foi suficientemente eficiente para calcinar

todo o caulim utilizado como matéria-prima, devido aos seguintes fatores: (i) durante o

processo de calcinação dos caulins o tempo de permanência nos fornos pode ter sido

insuficiente; e (ii) admitindo que o tempo de permanência não tenha sido a causa principal,

92

a segunda alternativa seria a não uniformidade da temperatura em todo o forno, conduzindo

a uma calcinação deficiente dos caulins.

Análise Térmica Diferencial e Calorimetria Exploratória Diferencial

O efeito da temperatura de calcinação nas argilas e sua estabilidade térmica

podem ser ainda monitorados pela DTA - Análise Térmica Diferencial (técnica na qual a

diferença de temperatura entre uma substância e um material de referência é medida em

função da temperatura, enquanto a substância e o material de referência são submetidos a

uma programação controlada de temperatura) e pela DSC - Calorimetria Exploratória

Diferencial (técnica que permite medir a variação de energia na amostra).

A Figura 4.15 apresenta o resultado da Análise Térmica Diferencial (DTA) e da

Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) para os diferentes metacaulins (caulins

calcinados durante 4 horas a 600ºC).

Figura 4.15: Sobreposição das curvas DTA e DSC da metacaulinita após moagem.

Nas curvas termodiferenciais (ATD) e de Calorimetria Exploratória Diferencial

(DSC) do material calcinado (metacaulinita), constata-se que o material possui ainda

caulinita mal cristalizada.

A boa eficiência do processo de calcinação seria refletida na ausência de picos

endotérmicos entre 400ºC e 600ºC, que correspondem à transformação da caulinita

existente em metacaulinita; entretanto, o processo deve revelar pico exotérmico em torno

de 950ºC, devido a recristalização da metacaulinita, típica da nucleação da mulita

93

(CORDEIRO, 2001). No termograma apresentado observa-se que o metacaulim ainda

apresenta pico endotérmico em torno de 550°C associado à desidroxilação de alguma

caulinita ainda existente, mesmo após calcinação. A partir dessas análises, percebe-se que o

processo de calcinação foi deficiente nas condições experimentais deste trabalho.

4.4.5 Espectroscopia de fluorescência de raios X

A espectroscopia por fluorescência de raios X, técnica analítica usada na

determinação qualitativa ou semi-quantitativa de elementos que compõem uma amostra, foi

utilizada para identificação dos compostos presentes no metacaulim (Tipo A) escolhido

para produção das argamassas geopoliméricas. Esse método se baseia na medida das

intensidades dos picos característicos emitidos pelos elementos que constituem a amostra.

Os raios X emitidos por tubos de raios X ou por uma fonte radioativa excitam os elementos

que constituem a amostra, os quais, por sua vez, emitem linhas espectrais com energias

características do elemento e cujas intensidades estão relacionadas à concentração do

elemento na amostra. Essa análise foi realizada no Programa de Engenharia Química da

COPPE – Núcleo de Catálise (NUCAT).

Objetivo: determinar a composição química do metacaulim a ser utilizado como

matéria-prima das argamassas com cimento geopolimérico.

Procedimento: o analisador irradia raios X na amostra e o sistema detecta os

sinais de fluorescência gerados. O tubo de raios X utilizado foi de ródio, e a atmosfera de

trabalho, de hélio. A energia de excitação utilizada foi de 45 keV. A amostra foi colocada

na forma de pastilha e coberta por um filme de polipropileno de 5 μm de espessura.

Preparação da amostra: as amostras já passadas na peneira de abertura 0,075 mm

(#200) foram secadas em estufa a 110ºC por um período de 24 horas, para, em seguida,

serem submetidas ao ensaio, sob a forma de pastilha.

Identificação do equipamento: Rigater Rix 3100 com tubo de Rh (ródio),

acoplado a um computador para o processamento dos dados.

A Tabela 4.6 apresenta a composição química do caulim fornecido pelo produtor

e, a Tabela 4.7, a composição química do metacaulim analisado3

3 A soma dos percentuais de SiO2, Fe2O3 e Al2O3 para o metacaulim Tipo A foi 98,492%, que supera o valor mínimo de 70% para materiais pozolânicos, ABNT NBR 2653:1992.

94

Tabela 4.6: Composição química do Caulim tipo A.

Determinações Traços (%)

SiO2 43,300

Al2O3 39,900

Na2O 0,080

K2O 0,240

CaO 0,030

Fe2O3 1,500

TiO2 0,360

MgO 0,330

Al2O3 / SiO2 0,921

Outros* 14,590

* Fonte: Fornecedor.

Tabela 4.7: Composição química do Metacaulim tipo A.

Determinações Traços (%)

SiO2 50,645

Al2O3 46,531

Na2O 0,433

K2O 0,418

CaO 0,013

Fe2O3 1,316

TiO2 0,644

MgO 0,392

Al2O3 / SiO2 0,919

Outros* 0,000

* Fonte: Análise do NUCAT/UFRJ

Comparando os dados obtidos, observa-se que após o processo de calcinação há

um aumento no traço de algumas substâncias em relação ao caulim de origem. Esse fato,

conforme citado por Fontes (2008), provavelmente ocorreu por causa da volatilização de

algumas substâncias; no item “Outros”, observa-se que o caulim apresentava traços de

aproximadamente 14% (provavelmente composto por voláteis, gases e água), os quais não

foram mais observados no metacaulim, proporcionando um acréscimo na proporção

(concentração) destes compostos. Verifica-se também que após a calcinação a composição

final praticamente não sofreu alteração, principalmente no que se refere à relação

Al2O3/SiO2. Segundo Davidovits (2002), essa relação é de grande importância para que as

reações de geopolimerização ocorram e para a formação da estrutura interna do

geopolímero; para tanto, valores mínimos dessa razão molar são estabelecidos como

marcos de referência para composição (1:1,5 e 1:1,65).

4.4.6 Microscopia Eletrônica de Varredura

Análises da microestrutura das argamassas de reparo a partir da microscopia

eletrônica de varredura (MEV) e espectro de energia dispersiva de raio X (EDS) foram

realizadas no METALMAT - Laboratório de microscopia eletrônica da escola de

95

metalurgia da UFRJ/COPPE. O microscópio utilizado foi JEOL JSM 6460LV acoplado ao

EDS. As micrografias das Figuras 4.16a a 4.16f mostram o caulim, o metacaulim e a zona

de interface substrato/reparo das amostras analisadas.

Procedimento para preparação das amostras laminares:

1. cortar as peças em dimensões apropriadas aos ensaios;

2. montar as amostras sobre suporte metálico (placa de alumínio),

utilizando como adesivo condutivo uma suspensão coloidal de

prata (conhecida como prata condutora), espalhando-a, o máximo

possível, sobre a placa de alumínio;

3. estender o contato elétrico da placa até a superfície em dois ou

quatro pontos, a depender das dimensões da lâmina;

4. colocar a amostra em câmara de alto vácuo, revestindo-a por um

filme condutor, com o objetivo de evitar acúmulo de carga

negativa, uma vez que se trata de um material não condutor para

ser metalizado em ouro.

Procedimento para preparação das amostras em pó:

1. montar a amostra sobre suporte metálico (cilindro), onde se coloca

algumas gramas de caulim ou metacaulim, utilizando como

adesivo condutivo uma fita dupla-face de carbono;

2. repetir o item 4 do procedimento anterior;

3. depois de preparar o porta-amostra, proteger a amostra da

umidade em um dessecador até o momento de realização do

ensaio.

96

Micrografia Descrição

Fig. a – Caulim Tipo A aumentado 1000 X.

Vista do Caulim Tipo A, utilizado no programa experimental, aumentado 1000 X.

Fig. b – Metacaulim moído do Tipo A aumentado 1000 X.

Vista do Metaculim Tipo A, utilizado no programa experimental, aumentado 1000 X.

Fig. c – Argamassa geopolimérica A 100 aumentado 50 X.

Micrografia da argamassa com cimento geopolimérico mostrando sua estrutura massiva e monofásica, onde se observam vazios (poros) na matriz.

Fig d - Argamassa geopolimérica na zona de fratura aumentado de 8000 X.

Micrografia mostrando a morfologia na zona de fratura da argamassa com cimento geopolimérico, apresentando vazios.

97

Fig. e – Interface 50 X – Reparo com A100, transversal.

Micrografia da zona de interface da argamassa geopolimérica com o substrato.

Fig. f – Interface reparo/substrato, destacando o ponto 1 (substrato) e o ponto 2 (reparo).

Espectro EDS no ponto 1

Espectro EDS no ponto 2

Figura 4.16 - Micrografias do caulim, metacaulim e do sistema substrato/reparo.

As amostras da zona de contato reparo/substrato via MEV não foram conclusivas

na avaliação da análise de comportamento da interface entre dois materiais distintos, pois

imprevistos e deficiências de equipamento nesta pesquisa ocorreram e foram constatados.

98

CCaappííttuulloo 55..

VVEERRIIFFIICCAAÇÇÃÃOO DDOO CCOOMMPPOORRTTAAMMEENNTTOO MMEECCÂÂNNIICCOO EE DDEE

AADDEERRÊÊNNCCIIAA -- MMÉÉTTOODDOOSS DDEE EENNSSAAIIOO 5.1 Introdução

O programa experimental nesta etapa consistiu na caracterização dos materiais

empregados na produção do concreto do substrato, na produção das argamassas de reparo e

na verificação do comportamento mecânico do concreto e das argamassas de reparo à

compressão axial, resistência à tração por compressão diametral, tração direta e na flexão e

verificação do comportamento da aderência das argamassas de reparo ao substrato de

concreto. Os métodos de ensaios adotados nesta pesquisa estão apresentados a seguir.

5.2 Composição dos Materiais

A seguir, será apresentada a caracterização dos materiais necessários à produção

do concreto e das argamassas. A seleção dos materiais teve como requisito básico o uso de

materiais largamente utilizados em obras na região de Salvador/BA.

Todo o material utilizado para produção do concreto, depois de caracterizado no

DCTM/UFBA, foi enviado para a UENF, acondicionado em embalagens plásticas

hermeticamente fechadas (para evitar contaminação e umidade), que só foram abertas no

momento da dosagem do concreto no LECIV – Laboratório de Engenharia Civil da UENF.

5.2.1 Cimento Portland

O cimento utilizado foi o CPII Z–32 (Figura 5.1), cimento Portland composto

com Pozolana. As características químicas foram fornecidas pelo fabricante e comparadas

com as especificações técnicas da norma brasileira da ABNT NBR 11578:1991 (Tabela

5.1).

99

Tabela 5.1: Características químicas do Cimento CPII Z-32, dados do fabricante com limites de especificação de acordo

com a ABNT NBR 11.578:1991.

Especificações Resultado do ensaio (%) Limites ABNT NBR 11578:1991

Perda ao Fogo - PF 3,68 ≤ 6,5

Dióxido de silício – SiO2 22,17 -

Óxido de alumínio – Al2O3 25,64 -

Óxido de ferro - Fe2O3 2,11 -

Óxido de cálcio total – Cal 56,28 -

Óxido de magnésio – MgO 4,54 ≤ 6,5

Anidrido sulfúrico – SO3 2,90 ≤ 4,0

Óxido de sódio - Na2O 0,10 ≤ 0,6

Óxido de potássio - K2O 1,89 -

Anidrido carbônico – CO2 2,49 ≤ 5,0

Resíduo insolúvel – RI 9,52 ≤ 16,0

Óxido de cálcio livre – Cal livre 0,79 1,0 a 2,0

Figura 5.1: Cimento utilizado na produção do concreto e como fonte de cálcio no geopolímero.

A partir dos resultados fornecidos pelo fabricante do cimento, verifica-se que os

teores dos compostos apresentados permaneceram dentro dos limites pré-estabelecidos pela

ABNT NBR 11578:1991 para o cimento Portland CPII Z-32.

5.2.2 Agregados

Os agregados utilizados na preparação dos concretos foram naturais,

considerados inertes, ou seja, não entraram nas reações químicas com a água.

100

5.2.2.1 Agregado graúdo

Os agregados graúdos foram provenientes da britagem de rochas granulíticas,

fornecidos pela Pedreira Parafuso, localizada no município de Simões Filho-BA. A Figura

5.2 mostra a coleta na pedreira e os agregados caracterizados.

(a) Aquisição do material (b) Brita 9.5 mm (c) Brita 19.0 mm

Figura 5.2 – Agregados graúdos na coleta e após caracterização.

A caracterização física da brita 9,5mm e 19,0mm está apresentada na Tabela 5.2.

Tabela 5.2: Características físicas do agregado graúdo (brita 9,50 e brita 19,00).

Ensaio Resultado para brita 9,50mm

Resultado para brita 19,00mm Norma

Módulo de finura (mm) 5,92 6,73 ABNT NBR NM 248:2003 Dimensão máxima característica (mm) 9,50 19,00 ABNT NBR NM 248:2003 Massa unitária no estado Compactado (Kg/dm2) 1,54 1,54 ABNT NBR 7251:1982 Massa específica (g/cm3) 2,85 2,87 ABNT NBR NM 53:2003

5.2.2.2 Agregado miúdo

O agregado miúdo utilizado para a produção das argamassas e concretos foi uma

areia aluvionar, fina, lavada e quartzosa, disponível comercialmente na cidade de Salvador

e proveniente da região de Camaçari-BA.

Tabela 5.3.: Características físicas do agregado miúdo (areia).

Ensaio Resultado Norma

Módulo de finura (mm) 1,58 ABNT NBR NM 248:2003 Dimensão máxima característica (mm) 1,18 ABNT NBR NM 248:2003 Massa específica (g/cm3) 2,72 ABNT NBR NM 52:2003 Absorção (%) 1,23 ABNT NBR NM 30:2003

101

Na Figura 5.3, observa-se a composição granulométrica da areia.

Figura 5.3: Curva granulométrica do agregado miúdo (areia).

Da análise granulométrica observa-se que a areia utilizada encontra-se com

composição situada no limite inferior utilizável de acordo com a ABNT NBR NM 248.

5.2.3 Água

A água utilizada para a produção dos concretos foi proveniente da rede de água

pública e existente no laboratório da UENF – Universidade Estadual do Norte Fluminense.

5.3 Produção do Concreto

Após a caracterização dos materiais, foi iniciado o estudo de dosagem do

concreto aplicando princípios básicos e procedimentos comumente utilizados no CETA -

Centro Tecnológico da Argamassa da UFBA. Depois, o concreto foi produzido para a

moldagem de corpos-de-prova.

102

5.3.1 Dosagem do Concreto

Corresponde à fase de determinação das proporções com que o material entra na

composição do concreto.

Como procedimento para determinação do traço do concreto das vigas ensaiadas,

foi utilizado o método ACI 211.1:1991 de dosagem “modificado”. Esse método baseia-se

nas exigências de resistência (determinada em 25 MPa neste estudo) por ser superior ao

mínimo exigido pela ABNT NBR 6118:2003 (20 MPa). Tal procedimento baseia-se ainda

nas condições de exposição, visando à durabilidade da estrutura e à trabalhabilidade do

concreto. O traço utilizado foi determinado levando-se em consideração: duas dimensões

diferentes de agregados, na proporção de 50% para cada uma das britas (brita 9,50 mm e

brita 19,0 mm); a trabalhabilidade (100 ± 10mm); e a relação água/cimento (0,60).

Na Tabela 5.4, encontram-se o traço e o consumo de material utilizado no

presente estudo para 1,0m3 de concreto.

Tabela 5.4.: Traço e consumo da mistura de concreto (Kg/m3).

Traço em massa (cimento : areia : brita : água) Cimento Areia Brita 9,50 Brita 19,00 Água

1 : 1,90 : 3,10 : 0,60 366 Kg/m3 695 Kg/m3 567 Kg/m3 567 Kg/m3 220 Kg/m3

5.3.2 Produção e Moldagem dos Corpos-de-Prova de Concreto

Nesse estudo, o concreto foi produzido visando obter uma resistência à

compressão acima de 20 MPa, aos 28 dias.

A mistura dos materiais para confecção do concreto foi realizada no LECIV –

Laboratório de Engenharia Civil da UENF. Inicialmente os materiais secos foram pesados e

deixados condicionados até a hora da moldagem. Todas as misturas foram realizadas em

uma sala não climatizada, porém com temperatura em torno de 24ºC ± 2ºC. Os materiais

foram colocados na betoneira de eixo inclinado na seguinte ordem: 100% do agregado

graúdo, 100% de areia (fazendo a homogeneização desses agregados), 50% de água, 100%

de cimento e o restante da água, com tempo de mistura de 10 minutos.

103

Na Figura 5.4, observam-se algumas etapas da produção do concreto.

(a) Material enviado da UFBA para a UENF. (b) Material pesado e separado para ser misturado.

(c) Betoneira utilizada para a dosagem. (d) Mesa vibratória utilizada na moldagem.

Figura 5.4: Preparo do concreto para moldagem dos corpos-de-prova.

Após a mistura, com o objetivo de avaliar a consistência e a trabalhabilidade do

concreto, foi realizado o teste de abatimento do tronco de cone (slump-test) de acordo com

o que prescreve a norma ABNT NBR NM 67:1998. Foi então, medido a fluidez do

material, permitindo assim um controle da uniformidade na produção do concreto, já que na

dosagem experimental se obteve um concreto trabalhável.

As misturas foram moldadas visando à obtenção do abatimento do concreto de

100 mm ± 10 mm.

104

Figura 5.5 mostra o ensaio de abatimento da mistura do concreto.

(a) Início do ensaio. (b) Realização do ensaio.

(c) Realização do ensaio. (d) Medida do abatimento.

Figura 5.5 – Ensaio de abatimento pelo tronco de cone.

Após a produção do concreto, foram moldados e curados os 40 corpos-de-prova

cilíndricos (100mm x 200mm) e 20 corpos-de-prova prismáticos (100mm x 100mm x

400mm). A moldagem foi realizada em três camadas, sendo cada uma adensada em mesa

vibratória com velocidade de rotação de 60 Hz, por 30 segundos, de acordo com as

prescrições da ABNT NBR 5738:2003.

Previamente à moldagem, os moldes são montados com a colocação placas

piramidais de EPS, no fundo das formas para as vigas a serem reparadas. Após a

concretagem, as amostras são mantidas em cura, com a finalidade de impedir a perda de

água para o ambiente, por um período de 24 horas, quando iniciou o processo de

desmoldagem. Nesta fase, é importante garantir que o concreto tenha passado do estado

fresco para o estado endurecido.

105

Após 24 horas, os corpos-de-prova foram desmoldados e colocados em recipiente

com água para cura, permanecendo até a idade dos ensaios, conforme Figura 5.6.

(a) Adensando o concreto. (b) Corpos-de-prova cilíndricos.

(c) Corpos-de-prova desmoldados. (d) Corpos-de-prova sendo curados.

(e) Vigas moldadas. (f) Desmoldagem das vigas.

(g) Corpos-de-prova desmoldados. (h) Cura dos corpos-de-prova. Figura 5.6: Preparação das formas para moldagem dos corpos-de-prova de concreto.

106

5.4 Produção das Argamassas de Reparo

Buscando obter argamassas para serem utilizadas como reparo ou reforço de

estruturas em concreto, esta etapa consistiu na dosagem e moldagem das argamassas

geopoliméricas com diferentes tipos de metacaulins e da argamassa de referência (graute).

A escolha da matéria-prima para a produção das argamassas geopoliméricas foi

baseada em estudo e análise das propriedades físicas, químicas, físico-químicas, térmicas e

microestruturais dos diferentes tipos de caulins e metacaulins estudados.

Posteriormente, corpos-de-prova cilíndricos e prismáticos das argamassas

geopoliméricas e de graute (referência) foram produzidos para análise de suas propriedades

e do seu comportamento mecânico.

5.4.1 Dosagem e definição do Traço das Argamassas Geopoliméricas

Por ser um estudo exploratório e uma contribuição a estudos já realizados, optou-

se nesta pesquisa pela formulação de argamassas geopoliméricas já utilizadas e estudadas

por Dias (2001), para avaliar e comparar as propriedades mecânicas e o comportamento da

aderência no reparo de estruturas de concreto.

O traço dos geopolímeros é expresso pela seguinte relação ou proporção:

SLAreiaS :: Equação 5.1

onde:

• S (Sólidos): é composto pelo somatório de (metacaulim + cimento Portland + KOH

+ 0,49 x Na2SiO3);

• L (Líquido): é composto pelo somatório das medidas em peso de água (H2O) e 51%

da solução de silicato de sódio alcalino (Na2SiO3);

• Areia: é um número que corresponde à relação entre a quantidade de areia e a

quantidade do fator S (Equação 5.1).

Inicialmente, para contribuir ainda com a escolha do melhor metacaulim a ser

utilizado para produção das argamassas geopoliméricas, quatro misturas foram moldadas

107

após estudo preliminar do traço teórico: A100, A150, B150 e C150. As letras A, B e C

representam os tipos diferentes de metacaulins e os números 100 e 150 correspondem,

respectivamente nesse caso, às relações 1,75 e 1,50 entre a quantidade de areia e a

quantidade de sólidos “fator S” da mistura. Dessas misturas, foram produzidos os corpos de

prova das argamassas de reparo ou reforço e, para avaliar a influência da incorporação

desses diferentes metacaulins nas argamassas geopoliméricas, as propriedades mecânicas

de resistência à compressão axial e diametral foram estudadas.

Os corpos de prova foram moldados e ensaiados no LECIV (Laboratório de

Engenharia Civil da UENF) em prensa digital Versa Tester da marca Soiltest, modelo ELE

International, em que medidas de amperagem máxima foram aquisitadas e convertidas para

carga de ruptura do material. Posteriormente, esses dados foram tratados para cálculo da

resistência à compressão axial e diametral (Tabela 5.5). Os cilíndricos moldados tinham as

seguintes dimensões: na base, 50 mm; na altura, 100 mm, cada um.

Tabela 5.5: Resultado dos ensaios de resistência à compressão axial e diametral de diferentes argamassas geopoliméricas.

Parâmetros Tipo de metacaulim após a Tensão de ruptura (MPa)

Idade dos Cp’s Compressão axial Tração indireta

A 100 28 dias 38,52 2,60

A 150 28 dias 41,97 4,31

B 150 28 dias 36,16 4,15

C 150 28 dias 37,09 4,25

Ao comparar as diferentes misturas no que diz respeito às propriedades

mecânicas, observa-se que a argamassa com metacaulim do tipo A apresenta maior

resistência à compressão axial em relação aos metacaulins B e C. Isso corrobora com os

ensaios analíticos realizados na sua caracterização.

Após definição de que a argamassa geopolimérica do Tipo A é a que apresentou

maior resistência mecânica entre as demais, iniciou-se a produção de quantidade suficiente

desse material para a moldagem dos corpos-de-prova cilíndricos, prismáticos e para

preenchimento dos entalhes das vigas a serem reparadas.

Na Tabela 5.6, estão apresentados os traços e o consumo de materiais por m3 das

argamassas geopoliméricas escolhidas para estudo.

108

Tabela 5.6: Traço e consumo de materiais utilizados na produção das argamassas geopoliméricas.

Material Mistura A100

Traço I (1 : 1,75 : 0,36)

Mistura A150 Traço I I

(1 : 1,50 : 0,36)

Metacaulim 1 794,21 g 1 951,27 g CPII Z-32 816,50 g 887,97 g Na2SiO3 1 908,45 g 2 075,52 g KOH 769,01 g 836,33 g H2O 562,26 g 611,48 g

5.4.2 Preparo das Argamassas Geopoliméricas

Inicialmente o agregado miúdo foi peneirado (# 45 μm) e cuidadosamente

homogeneizado, com o objetivo de eliminar os grãos retidos nessa peneira, visto que a

qualidade do agregado é um dos fatores que influenciam na qualidade das argamassas

geopoliméricas de reparo/reforço.

A produção das argamassas geopoliméricas foi realizada em seis etapas,

utilizando-se do processo de mistura e adensamento manual. Essas etapas correspondem ao

procedimento adotado por Torgal (2007), que verificou ser a opção que levou a melhores

resultados em suas pesquisas. As etapas da produção do geopolímero estão apresentadas na

Tabela 5.7.

Tabela 5.7: Etapas da produção do geopolímero.

ETAPA DESCRIÇÃO

A Pesa-se a água Pesa-se o KOH (juntamente com a água) Homogeneiza-se a mistura de água com o KOH

B Pesa-se a solução alcalina (Na2SiO3)

C Coloca-se A em B (nessa sequência) Homogeneiza-se a mistura aquosa gerada de A em B

D

Pesa-se o cimento Portland Pesa-se o metacaulim Coloca-se o cimento no metacaulim (nessa sequência) Homogeneiza-se a mistura do cimento no metacaulim

E Pesa-se a areia passante na peneira 45 # F Mistura-se a solução aquosa formada na Etapa C à mistura formada nas Etapas D e E

109

Segue, na Figura 5.7, a sequência de produção do geopolímero.

(a) Etapa A – preparo da solução aquosa com KOH. (b) Etapa C – Solução de Na2SiO3 + KOH + Água.

(c) Etapa D – Mistura do cimento + metacaulim. (d) Etapa D – Homogeneização da mistura + areia.

(e) Etapa F – Mistura da solução aquosa + parte seca. (f) Etapa F – Homogeneização de toda a mistura.

Figura 5.7: Etapas de produção dos geopolímeros.

A trabalhabilidade das argamassas geopoliméricas não pode ser ensaiada, em

função da baixa plasticidade da mistura, pois, logo após a homogeneização da mistura, foi

observada a rápida diminuição da fluidez e mobilidade da pasta, com notório aumento da

110

coesão, sem tendência a segregação nem exsudação. Por esse motivo, a moldagem teve que

ser rápida, evitando a perda da capacidade de moldagem dessa argamassa. Isso pode ser

benéfico quando da realização de reparos/reforços.

5.4.3 Dosagem e Preparação do Graute (Argamassa de Referência)

A argamassa de referência utilizada neste estudo (graute) foi uma argamassa

comercial, industrializada e muito utilizada em reparos estruturais na região de Salvador –

BA.

Na preparação do graute, foram seguidas as recomendações do fabricante, que

indica adicionar de 2 a 3 litros de água para cada 25Kg de produto. Sendo assim, foram

produzidas argamassas com 0,12 litros de água para cada quilograma de produto. Na

Tabela 5.8, são apresentadas algumas das características do graute utilizado para produção

da argamassa de referência. Na Figura 5.8, observa-se o preparo da mistura.

Tabela 5.8: Características do Graute.

Cor Cinza

Composição básica Cimento e aditivos especiais

(a) Preparação para pesagem do graute. (b) Preparação da mistura (graute + água).

Figura 5.8: Etapas de produção do graute.

5.5 Moldagem dos Corpos-de-Prova das Argamassas Geopoliméricas de Reparo

Após 28 dias da produção do concreto, foram moldados corpos-de-prova

cilíndricos (50mm x 100mm) e prismáticos (25mm x 25mm x 285mm) das argamassas de

111

reparo, além do preenchimento dos entalhes dos corpos-de-prova prismáticos de concreto

(reparo das vigas).

Quanto à moldagem dos corpos-de-prova cilíndricos, foram seguidas as

prescrições da ABNT NBR 5738:2003. As misturas foram preparadas e moldadas em três

camadas, com cada uma sendo adensada manualmente. Após 24 horas, esses corpos-de-

prova foram desmoldados e colocados em recipiente com água para cura, por 28 dias,

permanecendo assim até a idade dos ensaios.

Na Figura 5.9, observa-se as formas cilíndricas onde foram moldados os corpos-

de-prova das argamassas geopoliméricas.

(a) Forma para os corpos-de-prova do A100. (b) Formas para os corpos-de-prova do A150.

Figura 5.9: Moldagem dos corpos-de-prova com geopolímeros.

Na Figura 5.10, observa-se a forma dos corpos-de-prova prismáticos das

argamassas de reparo.

(a) Forma prismática para geopolímero. (b) Corpo-de-prova prismático de geopolímero.

112

(c) Corpo-de-prova prismático de geopolímero. (b) Corpo-de-prova prismático de Graute.

Figura 5.10: Formas para os corpos-de-prova de argamassa, com dimensões de 25mm x 25mm x

285mm.

As formas para as vigas foram preparadas em madeira. Entalhes em isopor (EPS)

foram confeccionados de forma trapezoidal e colados no meio da base das formas.

Na Figura 5.11, observa-se a preparação dos moldes e das formas dos corpos-de-

prova prismáticos, em que foram moldadas as vigas de substrato.

(a) Molde em EPS para um entalhe . (b) Moldes para cinco entalhes.

(c) Molde do entalhe fixado na forma. (d) Forma de 100mm x 100mm x 400mm.

Figura 5.11: Preparação dos entalhes com moldes em isopor para concretagem das vigas a serem

reparadas.

113

O concreto foi lançado nas formas e vibrado em mesa vibratória. No momento da

desmoldagem desses corpos-de-prova, após 24 horas, também foram retirados os moldes

dos entalhes em EPS. Após 28 dias, esses entalhes foram preenchidos com as argamassas

de reparo/reforço: as geopoliméricas e o graute de referência.

Na Figura 5.12, observa-se uma sequência de moldagem dos reparos nos entalhes

das vigas.

(a) Vigas de concreto com entalhe. (b) Detalhe do entalhe das vigas.

(c) Enchimento dos entalhes com geopolímeros. (d) Reparo/reforço de viga com geopolímeros.

(e) Reparo/reforço realizado. (f) Detalhe do reparo/reforço na viga.

Figura 5.12: Moldagem dos reparos e dos corpos-de-prova com geopolímero e graute.

114

5.6 Métodos de Determinação das Propriedades Mecânicas do Concreto e das

Argamassas de Reparo

As propriedades mecânicas estudadas e analisadas nesse trabalho foram:

resistência à compressão axial, resistência à compressão diametral ou tração indireta;

resistência à tração direta; e resistência à tração na flexão a quatro pontos.

A caracterização mecânica dos materiais foi realizada no Labest (Laboratório de

Estruturas da COPPE na UFRJ) em duas prensas diferentes. Na prensa da marca Shimadzu

servo-controlada, modelo UH-F 1000 kN, capacidade 1000 toneladas, mostrada na Figura

5.13a., foram avaliados os corpos-de-prova prismáticos (100mm x 100mm x 400mm), os

cilindros de concreto (100mm x 200mm) e os cilindros de argamassas (50mm x 100mm). A

avaliação foi realizada através dos ensaios de resistência à compressão axial, de resistência

à compressão diametral e de resistência à flexão a quatro pontos. Na prensa da marca

Shimadzu servo-controlada, modelo Autograph AG-X 100 kN, mostrada na Figura 5.13b,

os corpos-de-prova prismáticos (25mm x 25mm x 285mm) foram avaliados através dos

ensaios de resistência à tração direta e de resistência à tração na flexão a quatro pontos.

Esses ensaios permitiram a aquisição de dados através do sistema composto pelo

condicionador Shimadzu e um microcomputador (com capacidade de aquisição de cinco

leituras por milissegundo), acoplado a cada máquina de ensaio. Nos ensaios de compressão

axial dos corpos de prova cilíndricos de 50mm x 100mm e de 100mm x 200mm, o

deslocamento longitudinal foi medido através de um transdutor elétrico transversal (LVDT)

localizado na zona central da amostra, conforme mostra a Figura 5.13a. O deslocamento

axial final é considerado como sendo a média dos deslocamentos dos LVDT’s A e B, em

que foram tiradas as reações para a obtenção de gráficos.

(a) Modelo UH-F 1000 KN. (b) Modelo Autograph AG-X 100 kN.

Figura 5.13 – Máquinas de ensaios Shimadzu.

115

5.6.1 Comportamento sob Compressão

Os ensaios de resistência à compressão uniaxial dos corpos-de-prova cilíndricos

do concreto do substrato (com dimensões de 100mm x 200mm) e dos corpos-de-prova das

argamassas de reparo (geopolimérica e graute de referência, com dimensões de 50mm x

100mm) foram realizados em conformidade com os procedimentos sugeridos pela ABNT

NBR 5739:1994 e ASTM C 469:1994. A máquina de ensaio foi a Shimadzu, na qual a

carga é aumentada progressivamente para romper o corpo-de-prova em 2 ou 3 min. Os

dados de deslocamentos axiais, transversais e o carregamento foram registrados e depois

obtidos por meio de um sistema de aquisição de dados composto por um condicionador

ADS 2000, de 16 bits e um software AQDados, versão 7.02.08, da Empresa Lynx. Através

desses dados aquisitados, foram obtidos: as curvas tensão-deformação, deformação lateral-

tensão, deformação axial e os valores de resistência à compressão, módulo de elasticidade,

coeficiente de Poisson e deformação axial de pico.

Primeiramente, as superfícies irregulares dos corpos-de-prova passaram por um

tratamento através do capeamento com uma mistura de enxofre e arenoso, objetivando

tornar planas e paralelas as superfícies entre si.

As amostras foram submetidas a esforços de compressão com controle de

deformação axial, a uma velocidade de carregamento de 0,02 mm/min.

Os deslocamentos axiais e transversais foram obtidos através de transdutores

elétricos de deslocamento acoplados longitudinal (Aux 1, média entre A e B) e

transversalmente (Ext 2), fixos em anéis e localizados na região central do corpo-de-prova,

conforme Figura 5.14.

(a) Corpo-de-prova de concreto. (b) Corpo-de-prova de argamassa.

Figura 5.14 – Ensaio de resistência de concreto e argamassas, à compressão axial, realizado na UFRJ em prensa da marca Shimadzu, modelo UHF, servocontrolada, com capacidade de 1000kN.

116

5.6.2 Comportamento sob Tração

5.6.2.1 Ensaio de Resistência à Tração por Compressão Diametral

Concreto

O ensaio de tração por compressão diametral dos corpos-de-prova do concreto do

substrato foi realizado em prensa Shimadzu de 1000 kN, com velocidade de carregamento

de 0,02mm/min, de acordo com as prescrições da ABNT NBR 7222:1994 e ASTM C

469:1994. A resistência à tração aos 28 dias foi determinada em corpos-de-prova

cilíndricos de 100mm x 200mm. Os corpos-de-prova foram posicionados na prensa com

auxílio de duas taliscas de madeira. O valor de resistência à tração para cada mistura foi a

média de 03 corpos-de-prova. No caso do concreto, a carga é aplicada continuamente, a

uma velocidade constante, dentro de uma faixa de resistência à tração por compressão

diametral de 0,7 a 1,3 MPa, até a ruptura do corpo-de-prova.

A resistência à tração por compressão diametral foi calculada a partir da determinação da carga de ruptura, através da Equação 5.2:

πσ

...2

' LDFr

cdt = Equação 5.2

onde:

σt’cd - Resistência à tração por compressão diametral (MPa); Fr - Carga de ruptura do corpo-de-prova (N); D - Diâmetro do corpo-de-prova (mm); L - Espessura do corpo-de-prova (mm).

A Figura 5.15 mostra o equipamento e o corpo-de-prova ensaiado.

(a) Máquina de ensaio da marca Shimadzu. (b) Preparação do corpo-de-prova para ensaio.

117

(c) Ensaio sendo realizado com ruptura do compósito.

. Figura 5.15 – Ensaio de resistência à compressão diametral do concreto, realizado na UFRJ, em

prensa da marca Shimadzu, modelo UHF, servocontrolada, com capacidade de 1000kN. Argamassa

Para escolha e definição do traço dos geopolímeros a ser utilizado no programa

experimental (em que, posteriormente, seriam mais bem caracterizadas suas propriedades

mecânicas e estudada sua aderência ao substrato), corpos-de-prova de argamassas

geopoliméricas com traços diferentes foram moldados previamente no LECIV –

Laboratório de Engenharia Civil da UENF. Esses corpos-de-prova foram ensaiados aos 28

dias, em prensa da Soiltest, Mod. ELE International, mecanicamente controlada, com

capacidade de 10kN. A resistência à tração indireta aos 28 dias foi determinada em corpos-

de-prova cilíndricos de 50mm x 100mm. Os corpos-de-prova foram posicionados na prensa

e ensaiados conforme Figura 5.16.

(a) Máquina de ensaio da marca Soiltest. (b) Preparação do corpo-de-prova para ensaio.

Figura 5.16 – Ensaio de resistência à compressão diametral das argamassas, realizado com prensa da marca

Soiltest, ELE International, servocontrolada, com capacidade de 10kN.

118

Após escolhido o traço dos geopolímeros a ser utilizado no programa

experimental, novos ensaios de compressão diametral dos corpos-de-prova dessas

argamassas foram realizados na UFRJ/COPPE, em prensa Shimadzu de 1000kN, com

velocidade de carregamento de 0,02mm/min, de acordo com as prescrições da ABNT NBR

7222:1994 e ASTM C 469:1994. A resistência à tração aos 28 dias foi determinada em

corpos-de-prova cilíndricos de 500mm x 100mm. Os corpos-de-prova foram posicionados

na prensa com auxílio de duas taliscas de madeira, em situação semelhante ao ensaio para o

concreto.

5.6.2.2 Ensaio de Resistência à Tração Direta

Buscando-se avaliar o comportamento sob tração direta para diferentes

argamassas de reparo (geopolímeros e graute), corpos-de-prova prismáticas de 25mm x

25mm x 285mm foram moldados e fixados a placas de alumínio com resina epóxi, para,

posteriormente, serem ensaiados.

Os ensaios de resistência à tração direta permitiram a obtenção dos valores de

resistência à tração, módulo de elasticidade e deformação axial de pico. Os deslocamentos

axiais do corpo-de-prova foram obtidos a partir da leitura média de dois transdutores

elétricos de deslocamento, acoplados longitudinalmente em anéis fixos na região central do

corpo de prova. Com os dados de deslocamento axial, obtêm-se a deformação axial do

corpo-de-prova e o módulo de elasticidade, sob uma base de leitura de 100mm. Os dados

de deslocamento axial e a carga foram armazenados por meio de um sistema de aquisição

de dados composto por um condicionador ADS 2000 de 16 bits e um software AQDados,

versão 7.02.08, da Empresa Lynx. Os ensaios foram realizados com controle de

deslocamento do travessão a uma taxa de 0,2mm/min.

O aparato utilizado para realização do ensaio de tração direta em corpos-de-prova

prismáticos foi o utilizado por Velasco (2008), modificado e adequado às dimensões das

amostras, conforme Figura 5.17.

119

Figura 5.17 – Amostras utilizadas nos ensaios de tração direta.

Os ensaios foram realizados mantendo as amostras com as duas extremidades

alinhadas e mantidas fixas (impedindo qualquer tipo de rotação). Esse procedimento,

conforme citado por Velasco (2008), favorece a existência exclusiva de esforços de tração

direta durante o carregamento.

A Figura 5.18 mostra o dispositivo de tração para esse ensaio, ilustrando, no

caso, a configuração do ensaio de corpo-de-prova da argamassa comercial de referência.

Figura 5.18 – Ensaio de resistência à tração direta das argamassas de reparo, realizado na UFRJ, em prensa da

marca Shimadzu, servocontrolada, com capacidade de 100KN.

A resistência à tração direta foi calculada a partir da determinação da carga de

ruptura, através da Equação 5.3.

120

Os valores de tensão foram calculados a partir da seguinte equação:

ebF

cpt ×=σ Equação 5.3

onde:

tσ - Resistência à tração direta (MPa); F - Carga aplicada; bcp - Largura do corpo de prova (seção central); e - Espessura do corpo de prova.

5.6.2.3 Ensaio de Resistência à Tração na Flexão das Argamassas

Nas argamassas de reparo, os ensaios seguiram o prescrito na ABNT NBR

12142:1994 e foram realizados na máquina de ensaio Shimadzu, Autograph AG-X, com

capacidade de carga de 100kN, a uma velocidade de carregamento de 0,1mm/min, em

amostras prismáticas de 25mm x 25mm x 285mm, com relação: vão livre (225 mm)/altura

(25 mm) igual a 9, em quatro pontos, onde a carga foi aplicada nos terços centrais do vão

do prisma.

As Figuras 5.19 mostram a configuração utilizada no ensaio de resistência à

tração na flexão a quatro pontos para as argamassas de reparo.

(a) Vista da prensa. (b) Preparação do equipamento.

Figura 5.19 – Ensaio de resistência à tração na flexão a quatro pontos, realizado com prensa da marca Shimadzu, servocontrolada, com capacidade de 100kN.

121

Esse ensaio foi realizado em equipamento específico e a Figura 5.20 mostra os

pontos de aplicação de cargas e pontos de apoio.

3,0 7,5 7,5 7,5 3,0

Figura 5.20 – Posicionamento dos apoios e das cargas aplicadas para os ensaios em corpos-de-prova de 28,5cm de comprimento.

Os valores de tensão foram calculados a partir da seguinte equação:

2..hbLF

cp

rft =σ Equação 5.4

onde:

ftσ - Resistência à tração na flexão (MPa);

rF - Carga de ruptura do corpo-de-prova (N); L - Dimensão do vão entre os apoios-distância entre os cutelos (mm);

cpb - Largura média do corpo-de-prova na seção de ruptura (mm); h - Altura média do corpo-de-prova na seção de ruptura (mm).

Obs.: É importante ressaltar que essa fórmula somente é válida se a ruptura na

superfície tracionada estiver entre as cargas.

5.7 Métodos de Determinação do Comportamento Mecânico do Concreto e do Sistema

Concreto/Reparo

O comportamento mecânico do concreto e de aderência das argamassas de reparo

ao substrato de concreto estudadas e analisadas neste trabalho foram: resistência à tração na

flexão a quatro pontos (ABNT NBR 12.142:1994) e resistência de aderência ao

cisalhamento na flexão (AFNOR NF P 18-851:1992).

122

5.7.1 Ensaio de Resistência à Tração na Flexão do Concreto

No caso dos corpos-de-prova de concreto (monolítico ou com reparo), o ensaio

foi realizado na máquina da Shimadzu, modelo UHF, com capacidade de 1000kN, em

amostras prismáticas de 100mm x 100mm x 400mm, com relação: vão livre (300

mm)/altura (100 mm) igual a 3. Os ensaios seguiram o prescrito na ABNT NBR

12.142:1994.

Curvas carga versus deflexão dos concretos foram obtidas aos 28 dias de idade.

Cada curva média é o resultado do ensaio de três amostras. Os ensaios foram realizados

com controle de deslocamento do travessão a uma taxa de 0,1mm/min.

Os ensaios de resistência à tração na flexão permitiram a obtenção dos valores de

carga de ruptura e deslocamento (flecha) da amostra no meio do vão livre. O vão livre foi

mantido fixo em 300mm em todos os ensaios. Os deslocamentos foram obtidos por meio de

dois transdutores elétricos de deslocamento acoplados a um dispositivo tipo Yoke

posicionado a meia altura da amostra prismática. Extensômetros elétricos foram instalados

no sentido transversal em até quatro locais: na zona de compressão; na zona de tração; no

reparo; e no substrato.

A Figura 5.21 mostra a configuração do ensaio prescrito pela ABNT NBR

12.142:1994. Tal ensaio consistiu em apoiar a viga em dois cutelos e aplicar o

carregamento através de dois outros cutelos, posicionados na parte superior da viga,

situados no terço médio do vão.

Figura 5.21 – Configuração do ensaio de resistência na flexão a quatro pontos (Fonte: ABNT NBR 12.142:1994).

123

As Figuras 5.22 a 5.24 mostram o aparato armado para o ensaio de flexão a

quatro pontos com transdutores e extensômetros utilizados no estudo do comportamento

mecânico e da aderência entre os reparos com graute e geopolímeros em substrato de

concreto.

Figura 5.22 – Configuração do ensaio de resistência na flexão a quatro pontos com 02 transdutores e 04

extensômetros.

(a) Configuração do ensaio com reparo A100. (b) Ruptura da viga reparada com geopolímero A100.

Figura 5.23 – Configuração do ensaio de resistência na flexão a quatro pontos com 02 transdutores e 04 extensômetros.

124

(a) Configuração do ensaio com reparo A150. (b) Ruptura da viga reparada com geopolímero A150.

Figura 5.24 – Configuração do ensaio de resistência na flexão à quatro pontos com 02 transdutores e 04 extensômetros.

Os ensaios de resistência à tração na flexão buscam avaliar o comportamento do

concreto desenvolvido para servir de substrato de reparo com argamassas diferentes. Esses

ensaios permitiram a obtenção dos valores de carga de ruptura e de deslocamento (flecha)

da amostra no meio do vão livre. Serviam, ainda, para avaliar o comportamento da

aderência das argamassas de reparo no substrato de concreto, através da análise das

deformações sofridas pelos diferentes materiais de reparo em relação ao substrato.

Com os dados de carga ao longo do ensaio obtêm-se, pelo menos, dois valores de

resistência importantes: o primeiro, da carga máxima de ruptura; o segundo, correspondente

à flecha máxima. Os dados de carga e deslocamentos foram aquisitados por um software

Trapezium versão 2.22, da Shimadzu, conectado diretamente à máquina de ensaio.

Nesse ensaio, a carga foi aplicada nos terços centrais do vão do prisma. A Figura

5.25 mostra os pontos de aplicação de cargas e pontos de apoio no ensaio.

5,0 10,0 10,0 10,0 5,0

Figura 5.25 – Posicionamento dos apoios e das cargas aplicadas para os ensaios em corpos-de-prova de 40cm de comprimento.

125

Os valores de tensão foram calculados a partir da seguinte equação:

2..hbLF

cp

rft =σ Equação 5.5

onde:

ftσ - Resistência à tração na flexão (MPa);

rF - Carga de ruptura do corpo-de-prova (N); L - Dimensão do vão entre os apoios-distância entre os cutelos (mm);

cpb - Largura média do corpo-de-prova na seção de ruptura (mm); h - Altura média do corpo-de-prova na seção de ruptura (mm).

Obs.: É importante ressaltar que esta fórmula somente é válida se a ruptura na

superfície tracionada estiver entre as cargas.

5.7.2 Comportamento da Aderência das Argamassas ao Substrato 5.7.2.1 Resistência de Aderência ao Cisalhamento na Flexão

Nesse trabalho, o método de ensaio selecionado foi o AFNOR NF P 18-

851:1992, em que a argamassa de reparo é aplicada a um substrato de concreto prismático

que possui uma reentrância (entalhe) em forma trapezoidal, conforme a configuração da

Figura 5.26. A análise do comportamento do reparo se baseia na ABNT NBR 12142:1994

para determinação da resistência à tração na flexão e no modo de ruptura. A interpretação

dos resultados depende do tipo de ruptura.

Figura 5.26 – Configuração do corpo-de-prova e do ensaio de resistência de aderência ao cisalhamento

na flexão (AFNOR NF P 18-851:1992). Desenho sem escala. Dimensões em mm.

126

Este ensaio é normalizado pela AFNOR NF P 18-851:1992 e é realizado com a

aplicação da carga através de dois cutelos superiores distantes 100mm, com o corpo-de-

prova reconstituído voltado com a argamassa para baixo e apoiado em outros dois cutelos

distantes 300mm. A face reconstituída deve ser posicionada para baixo e a velocidade de

aplicação do carregamento deverá ser em torno de 800kgf/min, como no ensaio de

resistência à tração na flexão dos corpos de prova de concreto monolíticos e íntegros.

As vigas foram analisadas no trecho entre as cargas, em que ocorre flexão pura.

Nesse contexto, quatro situações foram analisadas: vigas de referência, vigas reparadas com

geopolímero A100, vigas reparadas com geopolímero A150 e vigas reparadas com o graute

de referência.

Em uma análise simplificada, pode-se considerar que a região horizontal

centralizada da interface entre a superfície do concreto e a argamassa de reparo recebe um

esforço de cisalhamento puro gerado pelo carregamento, enquanto que nas duas faces

inclinadas da reentrância os esforços de cisalhamento e de tração são combinados

(MORENO e SELMO, 2007).

Caso o material de reparo tenha uma aderência muito baixa, destacando-se

facilmente do concreto, a resistência da peça não será influenciada e apenas o concreto irá

suportar a carga aplicada, rompendo a partir da fibra inferior do concreto, após o

desprendimento do material de reparo. No caso de a argamassa de reparo possuir uma

aderência considerável, o concreto é favorecido e a peça pode suportar maiores

intensidades de solicitações. No entanto, como existem dois materiais distintos, com

propriedades diferenciadas e sob esforços também diferentes, a argamassa com resistência à

tração superior à do concreto pode aumentar a capacidade de suporte ou, caso contrário,

reduzi-la, quando comparado com valores obtidos em corpos de prova compostos apenas de

concreto.

Dessa forma, o tipo de ruptura é fundamental para a interpretação dos resultados,

podendo ocorrer de cinco formas distintas: com a ruptura apenas do concreto, sem

comprometimento do sistema de reparo (Tipo C); com o rompimento do reparo e

propagação da fissura para o prisma de concreto, agindo de forma monolítica (Tipo M), ou

seja, com a argamassa rompendo por tração na extremidade inferior da seção com posterior

propagação da fissura para o concreto; com o desprendimento da parte inclinada do reparo

127

e desenvolvimento da fissura para o concreto (Tipos I-1 e I-2) - nesses casos a ruptura se dá

na região inclinada da reentrância, com consequente propagação da fissura para o concreto

a partir da interface em sua região horizontal; e com o desprendimento do reparo e

subsequente rompimento do concreto (Tipo D), conforme apresentados na Figura 5.27.

Figura 5.27 – Tipos de rupturas possíveis. Ensaio AFNOR NF P 18-851:1992.

Para verificação dos resultados de resistência de aderência ao cisalhamento na

flexão deverá ser feita uma relação entre esses resultados e os resultados dos ensaios de

resistência à tração na flexão.

Na Figura 5.28 (a até d), observam-se as vigas já reparadas sendo preparadas

para instrumentalização, com a colocação dos extensômetros.

(a) Regularizando a superfície de viga. (b) Vigas prontas para instrumentalizar.

128

(c) Colando o extensômetro na viga. (d) Vigas prontas para ensaio.

Figura 5.28 – Etapas de preparação das vigas para instrumentalização com extensômetros. Viga de concreto – Monolítica

Na Figura 5.29, observa-se a realização do ensaio de flexão a quatro pontos em

corpo-de-prova prismático com dimensão de 100mm x 100mm x 400mm, para verificação

do modo de ruptura da viga monolítica de concreto.

Figura 5.29 – Configuração do ensaio para verificar o modo de ruptura da viga monolítica (AFNOR NF P

18.851: 1992) Viga de concreto – Reparada com o Graute (argamassa comercial)

Segue na Figura 5.30, a realização do ensaio de flexão a quatro pontos em corpo-

de-prova prismático de concreto com entalhe preenchido com a argamassa de reparo de

129

referência, para verificação do tipo de ruptura segundo recomendações da AFNOR NF

18.851:1992.

Figura 5.30 – Configuração do ensaio para verificar o modo de ruptura da viga com graute (AFNOR NF P18.851:

1992). Viga de concreto – Reparada com Geopolímero (A100)

Na Figura 5.31, apresenta-se a realização do ensaio de flexão a quatro pontos em

corpo-de-prova prismático de concreto com entalhe preenchido com uma argamassa

geopolimérica (A100) de reparo, para verificação do tipo de ruptura segundo

recomendações da AFNOR NF 18.851:1992.

.

Figura 5.31 – Configuração do ensaio para verificar o modo de ruptura da viga com reparo geopolimérico do Tipo

A100 (AFNOR NF P18.851: 1992).

130

Viga de concreto – Reparada com Geopolímero (A150)

Na Figura 5.32, observa-se a realização do ensaio de flexão a quatro pontos em

corpo-de-prova prismático de concreto com entalhe preenchido com uma argamassa

geopolimérica (A150) de reparo, para verificação do tipo de ruptura segundo

recomendações da AFNOR NF 18.851:1992.

.

Figura 5.32 – Configuração do ensaio para verificar o modo de ruptura da viga com reparo geopolimérico do Tipo

A150 (AFNOR NF P18.851: 1992).

131

CCaappííttuulloo 66..

Apresentação e Análise de Resultados 6.1 Introdução

Este capítulo trata da apresentação e da análise dos resultados dos corpos-de-

prova submetidos aos esforços mecânicos. Os corpos-de-prova de concreto foram avaliados

através dos ensaios de resistência à compressão e de resistência à tração por compressão

diametral, além de resistência à tração na flexão. As argamassas de reparo foram avaliadas

através dos ensaios de resistência à compressão, resistência à tração por compressão

diametral, resistência à tração direta e resistência à tração na flexão. 6.2 Comportamento Mecânico do Concreto e das Argamassas Comportamento do concreto sob compressão axial

A Figura 6.1 apresenta a curva tensão versus deformação axial e lateral do corpo-

de-prova “CP 02”, representando a curva típica do concreto do substrato utilizado no

programa experimental.

De acordo com a convenção padrão para esforços normais, as tensões de

compressão são negativas e as tensões de tração são positivas (VELASCO, 2008);

entretanto, quando a resistência à compressão do concreto é avaliada com medidas de

deformação lateral, as curvas tensão versus deformação são apresentadas com os sinais

invertidos. Assim, as curvas tensão versus deformação axial apresentadas neste trabalho

encontram-se na região positiva do gráfico, e as curvas tensão versus deformação lateral

encontram-se na região negativa.

132

-2000 -1000 0 1000 20000.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

AxialLateral

Tens

ão (M

Pa)

Deformação (με)

CP 02: Curva típica

Figura 6.1 – Gráfico com a curva típica relacionando tensão versus deformação axial e lateral dos corpos-de-prova

de concreto do substrato, ensaiados aos 28 dias de idade.

Na Tabela 6.1, consta a média dos valores das propriedades mecânicas do

substrato de concreto.

Tabela 6.1: Propriedades mecânicas do concreto sob compressão axial.

Misturas Resistência à compressão

(MPa)

ε axial

(με) ε lateral (με)

E (Mod. Elast.) (GPa) ν (Poisson)

Rtcd (MPa) aos 28 dias

CP 01 22,57 1810,00 690,00 30,41 0,14 2,30 CP 02 22,49 1611,00 586,00 31,12 0,20 2,44 CP 03 24,39 1743,00 663,00 31,91 0,15 2,38 CP 04 24,15 1842,00 642,00 30,09 0,15 2,37

Média (µ) 23,40 1751,50 645,25 30,88 0,16 2,37 Desv.Padrão (σ) 1,01 102,35 44,12 0,81 0,03 0,06

C.V. 4,32 5,84 6,84 2,62 16,93 2,42 NOTA:

• µ - Média Aritmética dos 04 corpos-de-prova (entre os 10 ensaiados) que apresentaram desvio relativo < 5,0%.

• σ - Desvio-padrão da população finita.

• CV – Coeficiente de Variação = (σ/µ).100.

Visando obter um concreto com resistência que atendesse aos requisitos mínimos

normativos (ABNT NBR 6118:2003) quanto à durabilidade, foi dosado o concreto de

133

referência para se obter uma resistência à compressão mínima de 20,00MPa, aos 28 dias.

Verifica-se que o resultado obtido para a referida mistura (Tabela 6.1) foi de 23,40MPa,

indicando que ela atendeu às especificações.

A partir dos resultados obtidos, pode-se observar que o módulo de deformação

médio foi de 30,88GPa, valor esperado para o concreto, pois, segundo Mehta (2008), esse

valor varia entre 14,00GPa e 40,00GPa.

Quanto ao coeficiente de Poisson, o valor médio foi de 0,16. Esse valor é

condizente com o esperado para o concreto, pois, também de acordo com Mehta (2008),

esse valor varia em torno de 0,20.

Para a resistência à compressão diametral do concreto, o estudo apresentou valor

médio de 2,37MPa, valor igualmente condizente com o esperado para o concreto, pois,

Mehta (2008), afirma esse valor varia entre 10,00% e 15,00% do valor da resistência à

compressão axial. Comportamento das argamassas sob compressão axial

A Figura de 6.2, apresenta a curva típica da tensão versus deformação para as

argamassas de reparo, resultantes dos ensaios segundo recomendações da ABNT NBR

7215:1996.

0 500 1000 1500 2000 2500 30000

5

10

15

20

25

30

35

Tens

ão (M

Pa)

Deformação (με)

A100 - Curva Típica

0 500 1000 1500 2000 2500 30000

5

10

15

20

25

30

35

Tens

ão (M

Pa)

Deformação (με)

A150 - Curva Típica

(a) Argamassa A100 (b) Argamassa A150

134

0 500 1000 1500 2000 2500 30000

5

10

15

20

25

30

35

Tens

ão (M

Pa)

Deformação (με)

Graute - Curva Típica

(c) Graute – referência.

Figura 6.2– Gráfico tensão versus deformação com curva típica para cada argamassa de reparo: a) A100; A150 e Graute - com 28 dias de idade.

A Figura de 6.3 apresenta a sobreposição das curvas típicas da tensão versus

deformação das argamassas de reparo.

0 500 1000 1500 2000 2500 30000

5

10

15

20

25

30

35

Tens

ão (M

Pa)

Deformação (με)

Graute - Curva Típica A150 - Curva Típica A100 - Curva Típica

Figura 6.3 – Sobreposição dos gráficos tensão versus deformação das curvas típicas para as argamassas de reparo.

Pela avaliação dos dados obtidos no diagrama tensão versus deformação axial,

verifica-se a maior capacidade de carga da argamassa geopolimérica A150 em relação às

demais, seguida pelo graute e, por fim, pela argamassa A100. É notório também que, para

cargas menores que 25,00MPa, a argamassa geopolimérica A100 deforma-se mais do que

as demais argamassas de reparo.

135

As Tabelas de 6.2 a 6.4 apresentam os dados coletados a partir dos ensaios de

compressão axial para as argamassas de reparo, resultantes dos ensaios segundo

recomendações da ABNT NBR 7215:1996. Argamassa A100

Na Tabela 6.2, constam os valores de resistência média à compressão

(26,40MPa), módulo de elasticidade (14,06MPa) e de deformação axial (23,61με) das

argamassas A100, aos 28 dias de idade.

Tabela 6.2: Propriedades mecânicas das argamassas A100 sob compressão axial.

Misturas Resistência à compressão (MPa) E (Mod. Elast.) (GPa)

ε axial (με) x 103

CP 01 26,93 13,92 25,18 CP 02 27,69 14,19 21,24 CP 03 25,16 14,03 24,93 CP 04 25,82 14,11 23,10

Média (µ) 26,40 14,06 23,61 Desv.Padrão (σ) 1,13 0,12 1,83

C.V. 4,27 0,82 7,76 NOTA:

• µ - Média Aritmética dos 04 corpos-de-prova (entre os 10 ensaiados) que apresentaram desvio relativo < 5,0%.

• σ - Desvio-padrão da população finita.

• CV – Coeficiente de Variação = (σ/ µ).100.

Argamassa A150:

Na Tabela 6.3, constam os valores de resistência média à compressão

(34,32MPa), módulo de elasticidade (15,33MPa) e de deformação axial (24,92με) das

argamassas A150, aos 28 dias de idade.

136

Tabela 6.3: Propriedades mecânicas das argamassas A150 sob compressão axial.

Misturas Resistência à compressão (MPa) E (Mod. Elast.) (GPa)

ε axial (με) x 103

CP 01 32,66 15,18 24,93 CP 02 35,55 14,82 26,18 CP 03 34,75 15,98 23,65

Média (µ) 34,32 15,33 24,92 Desv.Padrão (σ) 1,22 0,48 1,03

C.V. 3,55 3,16 4,14 NOTA:

• µ - Média Aritmética dos 04 corpos-de-prova (entre os 10 ensaiados) que apresentaram desvio relativo < 5,0%.

• σ - Desvio-padrão da população finita.

• CV – Coeficiente de Variação = (σ/ µ).100.

Graute

Na Tabela 6.4, constam os valores de resistência média à compressão

(30,09MPa), módulo de elasticidade (30,72MPa) e de deformação axial (26,91με) do

graute, testados aos 28 dias de idade.

Tabela 6.4: Propriedades mecânicas das argamassas GRAUTE sob compressão axial.

Misturas Resistência à compressão (MPa) E (Mod. Elast.) (GPa)

ε axial (με) x 103

CP 01 30,45 35,88 16,45 CP 02 29,72 27,75 30,21 CP 03 30,11 28,53 34,06

Média (µ) 30,09 30,72 26,91 Desv.Padrão (σ) 0,30 4,49 9,26

C.V. 0,99 14,60 34,41 6.2.1 Resumo das propriedades mecânicas das argamassas na compressão axial

Observa-se, portanto, na Tabela 6.5 o resumo das propriedades mecânicas das

argamassas de reparo, quando submetidas ao ensaio de compressão axial. No item 6.8,

esses resultados serão comparados aos resultados do concreto do substrato. Já na Figura

137

6.4, verifica-se em (a) a resistência à compressão; e em (b), o módulo de deformação,

respectivamente.

Tabela 6.5: Resumo das propriedades mecânicas das argamassas de reparo sob compressão axial.

Misturas Resistência à compressão

(MPa) – C.V (%)

Comparativo da resistência à

compressão

E (Mod. Elast.) (GPa) – C.V (%)

Comparativo do módulo de deformação

ε axial (με) x 103 – C.V.

A100 26,40 – 4,27 0,88 14,06 – 0,82 0,46 23,61 – 7,76 A150 34,32 – 3,55 1,14 15,33 – 3,16 0,50 24,92 – 4,14

GRAUTE 30,09 – 0,99 1,00 30,72 – 14,60 1,00 26,91 – 34,41

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

Méd

ia d

a R

esis

tênc

ia à

Com

pres

são

Axi

al (M

Pa)

Argamassas de Reparo

A100 A150 Graute

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

Méd

ia d

o M

odul

o de

Ela

stic

idad

e (G

Pa)

Argamassas de Reparo

A100 A150 GRAUTE

(a) Resistência à Compressão. (b) Módulo de Deformação.

Figura 6.4 – Resistência à compressão e módulo de deformação dos corpos-de-prova dos Geopolímeros e do graute ensaiados aos 56 dias de idade.

Da análise dos resultados e tomando como referência o graute, pode-se verificar

que a argamassa geopolimérica A150 apresentou resistência média à compressão 14%

(34,32MPa) superior do que a argamassa de referência. Quanto à argamassa A100,

apresentou valores de resistência média à compressão 12% inferior à referência.

Quanto ao módulo de elasticidade, as argamassas geopoliméricas apresentaram

valores semelhantes entre si, porém, tomando o graute como referência, as argamassas

geopoliméricas apresentaram valores inferiores, correspondendo a aproximadamente 50%

da referência (o A100 apresentou o valor de 14,06GPa, enquanto que no geopolímero A150

essa grandeza foi de 15,33GPa).

A variação da resistência à compressão observada na Figura 6.4a entre as

argamassas geopoliméricas pode estar associada à razão molar dos componentes de cada

138

geopolímero, pois as proporções dos constituintes da matéria-prima variam em função dos

teores dos compostos químicos.

Observa-se na Figura 6.4b a variação do módulo de elasticidade entre os mesmos

compósitos. Essa variação pode estar associada a variações na resistência à compressão

entre o mesmo material, da mesma maneira que acontece com o concreto, conforme citado

por Velasco (2008).

Sendo as características elásticas do material uma medida de sua rigidez

(MEHTA, 2008), através da avaliação dos dados obtidos para módulo de deformação,

verifica-se que o graute é o material que possui maior módulo de deformação entre as

argamassas de reparo e, consequentemente, maior rigidez, quase que semelhante à do

concreto do substrato estudado. Sendo assim, é a argamassa que menos se deforma em

relação aos demais materiais. Análise do tipo de ruptura na compressão axial

A Figura 6.5 apresenta o resultado do ensaio de resistência à compressão uniaxial

dos corpos-de-prova cilíndricos do concreto e das argamassas geopoliméricas.

(a) Ruptura no concreto. (b) Ruptura no geopolímero.

Figura 6.5 – Tipos de ruptura dos compósitos na compressão axial.

Dos ensaios de compressão axial realizados, verifica-se na Figura 6.5b, que o

modo de ruptura do corpo-de-prova da argamassa geopolimérica manteve a mesma

tendência do concreto (Figura 6.5a), que, segundo a ABNT NBR 5739:2007, é do Tipo A –

cônica.

6.2.2 Comportamento sob compressão diametral

Na Tabela 6.6, estão apresentados os resultados dos ensaios de resistência à

tração por compressão diametral (Rtcd) para cada uma das argamassas de reparo aos 28 dias,

139

em que se verifica a tensão máxima correspondente à carga de ruptura para cada uma das

argamassas analisadas.

Tabela 6.6: Propriedades mecânicas das argamassas sob compressão diametral.

Misturas Resistência à compressão diametral (MPa).

A 100 A 150 GRAUTE CP 01 2,83 3,18 4,06 CP 02 2,90 4,13 4,19 CP 03 3,02 3,97 3,65

Média (µ) 2,92 3,76 3,97 Desv.Padrão (σ) 0,10 0,51 0,28

C.V. 3,29 13,43 7,11

Na Tabela 6.7, observa-se um resumo com a média dos resultados de compressão

diametral para as argamassas. Na Figura 6.6, observa-se um gráfico comparativo da média

dos valores de resistência à compressão diametral das argamassas.

Tabela 6.7: Resumo das propriedades mecânicas das argamassas sob compressão diametral.

Misturas Rtcd (MPa) aos 28 dias – C.V. Comparativo

A100 2,92 – 3,29 0,74 A150 3,76 – 13,43 0,95

GRAUTE 3,97 – 7,11 1,00

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

Rtc

d (M

Pa)

CP's das argamassas de reparo

A100 A150 Graute

Figura 6.6 – Gráficos relacionando a Média das resistências à tração por compressão diametral (Rtcd), obtidas do

ensaio de compressão diametral dos corpo-de-prova cilíndricos de 50 mm x 100 mm de materiais de reparo (A100, A150 e Graute).

140

Pela avaliação dos resultados obtidos para o Rtcd., verifica-se que, entre as

argamassas de reparo, o graute apresentou maior valor de resistência à tração por

compressão diametral (Rtcd) aos 28 dias (3,97MPa), seguido do geopolímero A150, que

apresentou o valor de 3,76MPa, correspondendo a 95% do valor da referência; e por

último, pelo geopolímero A100, com 74% do valor da referência, apresentando, portanto, o

menor valor dessa propriedade.

Analisando-se o comportamento dos reparos na compressão diametral, verifica-

se que a resistência à tração, obtida particularmente nas argamassas geopoliméricas A150,

não só mostra a capacidade resistente da matriz ligante, como evidência a excelente ligação

de ordem química que parece verificar-se entre essa matriz e os agregados das argamassas. Análise do tipo de ruptura na compressão diametral

A Figura 6.7 apresenta o resultado do ensaio de tração diametral dos corpos-de-

prova cilíndricos do concreto e das argamassas geopoliméricas.

(a) Concreto sob compressão diametral. (b) Argamassa sob compressão diametral.

Figura 6.7 – Ensaio de resistência à compressão diametral do concreto e argamassa, realizado na UFRJ, em prensa da marca modelo UHF, servocontrolada, com capacidade de 1000 KN.

Observa-se que o modo de ruptura da argamassa geopolimérica manteve a

mesma tendência do concreto, que, segundo a ABNT NBR 7222:1994, é por

fendilhamento, devido à tração indireta. 6.2.3 Comportamento sob tração direta

Na Tabela 6.8, estão apresentados os resultados dos ensaios de resistência à

tração direta (ft) para cada uma das argamassas de reparo, aos 28 dias de idade, em que se

141

verifica a tensão máxima correspondente à carga de ruptura para cada uma das argamassas

analisadas.

Durante o ensaio houve a tentativa de se realizar os testes sob condições fixas,

sem a possibilidade de rotação da amostra ao longo do processo.

Tabela 6.8: Propriedades mecânicas das argamassas sob tração direta.

Misturas Resistência à Tração (MPa) εt axial (με) A100 A150 Graute A100 A150 Graute

CP 01 1,52 0,91 2,07 0,82 0,74 0,00 CP 02 1,29 0,59 1,63 1,75 0,41 0,56 CP 03 2,11 1,51 1,45 2,94 1,16 0,63

Média (µ) 1,64 1,00 1,72 1,84 0,77 0,40 Desv.Padrão (σ) 0,42 0,47 0,32 1,06 0,38 0,35

C.V. 25,86 46,70 18,55 62,48 66,38 87,05 6.2.3.1 Resumo das propriedades mecânicas das argamassas na tração direta

Na Tabela 6.9, observa-se o resumo das propriedades mecânicas das argamassas

de reparo quando submetidas ao ensaio de tração direta. Na Figura 6.8, observa-se um

gráfico comparativo da média dos valores de resistência à tração direta das argamassas.

Tabela 6.9 Propriedades na tração direta das amostras prismáticas de argamassas.

Material Ruptura εt - CV

(με) – (%) Carga – CV (N) - (%) Comparativo ft – CV

(MPa) - (%) A100 1,02 – 25,86 0,95 1,64 – 25,86 1,84 – 62,48 A150 0,63 – 46,70 0,59 1,00 – 46,70 0,77 – 66,38

GRAUTE 1,07 – 18,55 1,00 1,72 – 18,55 0,40 – 87,05

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

Tens

ão à

Tra

ção

Dire

ta (M

Pa)

CP's das argamassas de reparo

A100 A150 Graute

Figura 6.8 – Comparação entre a Resistência à Tração Direta versus Corpos-de-prova de argamassa de referência

(Graute), obtida do ensaio de tração direta em corpos-de-prova prismáticos de 25 mm x 25 mm x 285 mm.

142

Das argamassas de reparo, o graute apresentou maior valor de resistência de

carga de ruptura na tração direta (ft), aos 28 dias (1,07N), seguido do geopolímero A100,

que apresentou o valor de 1,02N, correspondendo a 95% do valor da referência e, por

último, do geopolímero A150, com 59% do valor da referência, apresentando, portanto, o

menor valor para essa propriedade (0,63N).

Verifica-se, então, que os compósitos estudados atendem ao requisito sugeridos

por Silva Junior (2001) apud Mattos (2002); de possuir resistência à tração superior a 1.0

MPa para as argamassas de reparo.

Análise do tipo de ruptura na tração direta

O modo de ruptura dos corpos-de-prova de graute é observado na Figura 6.9.

(a) Graute sob tração. (b) Forma de ruptura do corpo-de-prova de graute.

Figura 6.9 – Ensaio de resistência à tração direta do graute, realizado na UFRJ, em prensa da marca Shimadzu, servocontrolada, com capacidade de 100 kN.

O modo de ruptura ocorreu no terço médio, sendo do tipo frágil e aconteceu

transversalmente ao corpo-de-prova do graute; essa mesma tendência foi seguida pelos

corpos-de-prova das argamassas geopoliméricas. 6.2.4 Comportamento sob tração na flexão das argamassas de reparo

Na Tabela 6.10, estão apresentados os resultados dos ensaios de resistência à

tração na flexão à quatro pontos (fctM) para as argamassas de reparo, aos 28 dias, em que se

verifica a tensão máxima correspondente à carga de ruptura para cada uma dessas

argamassas.

143

Tabela 6.10: Propriedades mecânicas da argamassa de reparo sob tração na flexão.

Misturas Carga (N) Resistência à Tração na

Flexão (fctM) (MPa) Flecha Máxima (δ)

(mm) A100 A150 Graute A100 A150 Graute A100 A150 Graute

CP 01 165,70 220,44 277,18 0,79 1,05 1,33 0,14 0,10 0,09 CP 02 116,97 254,04 370,64 0,56 1,22 1,78 0,06 0,20 0,12 CP 03 119,75 336,74 332,72 0,57 1,62 1,60 0,05 0,13 0,09 CP 04 198,40 285,42 379,77 0,95 1,37 1,82 0,14 0,13 0,12 CP 05 144,63 212,27 301,50 0,69 1,02 1,45 0,14 0,07 0,12 Média 149,09 261,78 332,36 0,72 1,25 1,60 0,11 0,12 0,11

Desv.Padrão 33,98 50,98 43,90 0,16 0,24 0,22 0,05 0,05 0,02 C.V. 22,79 19,48 13,21 22,79 19,48 13,21 43,20 38,78 14,59

6.2.4.1 Resumo das propriedades mecânicas das argamassas sob tração na flexão

Na Tabela 6.11, observa-se um resumo das propriedades mecânicas das

argamassas de reparo quando submetidas ao ensaio de tração na flexão (fctM). Na Figura

6.10, está representada a média dos valores de fctM para comparação entre as argamassas

de reparo. Tabela 6.11 – Propriedades da tração na flexão das amostras prismáticas.

Material fctM (MPa) – C.V. Comparativo δ (Flecha Max) – (mm) C.V. Comparativo

A100 0,72 – 22,79 0,45 0,11 – 43,21 1,00 A150 1,25 – 19,48 0,78 0,12 – 38,78 1,09

GRAUTE 1,60 – 13,21 1,00 0,11 – 14,57 1,00

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

fctM

(MP

a)

CP's das argamassas de reparo

A100 A150 Graute

Figura 6.10 – Relação Argamassas de Reparo versus Resistência Média à Tração na Flexão dos geopolímeros,

obtida do ensaio de tração na flexão em corpos-de-prova prismáticos de 25 mm x 25 mm x 285 mm.

144

As proporções dos diferentes materiais componentes dos compósitos

influenciaram na resistência à tração na flexão para as argamassas produzidas. A

diminuição das resistências à tração na flexão é mais acentuada, conforme observado,

quando se muda da argamassa com base cimentícia para as argamassas com base

geopolimérica.

Tomando como referência o graute, observa-se que as demais argamassas de

reparo apresentam-se com valores menores de resistência à tração na flexão, sendo que a

argamassa geopolimérica A150 supera a do tipo A100. Observa-se também que a

argamassa A150 apresenta ainda a maior flecha quando submetida à sua carga máxima de

suporte, superando as demais em 9,00%.

Segundo Silva Junior (2001 apud MATTOS, 2002), as argamassas de reparo

devem apresentar resistência à flexão, com valor mínimo de 2,0 MPa. Portanto, na

classificação desse autor, as argamassas não atendem à especificação para reparos, quando

comparadas levando em consideração somente o valor mínimo.

A Figura 6.11 mostra a superposição das curvas típicas com o comportamento

carga-flecha, ou seja, gráficos carga versus deslocamento, obtidos do ensaio de resistência à

tração na flexão para as argamassas de reparo.

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,250,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

Car

ga (K

N)

Flecha (mm)

Graute - Curva Típica A150 - Curva Típica A100 - Curva Típica

Figura 6.11 – Relação Carga versus Flecha das argamassas, resultante do ensaio de tração na flexão em

corpos-de-prova prismáticos de 25 mm x 25 mm x 285 mm.

145

Pode-se observar na Figura 6.11, que a maior capacidade de absorção de esforços

foi obtida pelo graute, seguida da argamassa geopolimérica A150, e por fim, pelo

geopolímero A100, quando submetidos ao ensaio de tração na flexão. Porém, pode ser

observada uma maior flecha atingida pela argamassa A100 quando comparada às demais,

mesmo suportando menor carga, requisito importante para argamassas de reparo. Análise do tipo de ruptura sob tração na flexão à quatro pontos

Na Figura 6.12, observa-se o ensaio dos corpos-de-prova das argamassas quando

submetidos à flexão a quatro pontos.

(a) Argamassa sob tração na flexão. (b) Formas de ruptura das argamassas.

Figura 6.12 – Ensaio de resistência à tração na flexão a quatro pontos, realizado com prensa da marca Shimadzu, servocontrolada, com capacidade de 100 KN.

O modo de ruptura ocorreu também no terço médio, foi do tipo frágil, transversal

e teve comportamento pouco explosivo, onde a carga máxima coincidiu com o início da

trinca e da fratura do material. 6.3 Comparação dos Resultados Obtidos na Compressão das argamassas em relação ao

concreto do substrato

Segundo Cabral et al. (1999), a compatibilidade mecânica com o concreto

reparado é o principal requisito para reconstituir o monolitismo da uma estrutura (substrato

e argamassas de reparo). Recomenda-se similaridade nas seguintes propriedades:

resistência à compressão (que deve ser o suficiente para resistir aos esforços estruturais sem

fissurar); resistência à tração; módulo de elasticidade (que deve ser capaz de absorver certas

deformações do substrato sem descolar), dentre outras propriedades. É aconselhável

146

também que as argamassas de reparo tenham uma boa aderência aos substratos de concreto

endurecido. 6.3.1 Resistência à compressão axial das argamassas em relação ao substrato.

Tomando como referência a resistência à compressão do concreto do substrato,

foi avaliada a resistência à compressão das argamassas de reparo. Na Tabela 6.12, segue

um resumo desses valores.

Tabela 6.12 – Resumo comparativo da resistência à compressão dos materiais

analisados.

Material fc (MPa) – C.V. Comparativo

SUBSTRATO 23,40 – 4,32 1,00 A100 26,40 – 4,27 1,13 A150 34,32 – 3,55 1,47 GRAUTE 30,09 – 0,99 1,29

Na Figura 6.13, observam-se barras comparativas da resistência à compressão do

concreto e das argamassas de reparo.

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

Res

istê

ncia

à C

ompr

essã

o A

xial

(MP

a)

Média dos Corpos-de-prova do Substrato e Reparos

Concreto A100 A150 Graute

Figura 6.13 – Gráficos relacionando os valores da média da resistência à compressão do substrato e das argamassas

de reparo e seus desvios padrões (Concreto, Geopolímero A100, A150 e Graute).

Entre as argamassas de reparo, podemos verificar que o geopolímero A150

apresentou resistência à compressão 47,00% superior ao concreto do substrato. O graute

147

superou em 29,00% a argamassa geopolimérica A100 que, mesmo sendo a que apresentou

resistência à compressão com menor valor (26,40MPa), supera ainda em 13,00% o concreto

Em estudos realizados durante a revisão bibliográfica, verificou-se que há

controvérsias em relação a essa propriedade para argamassas de reparo. Segundo Cabral et

al. (1999), a similaridade na resistência das argamassas de reparo e do concreto do

substrato é um requisito recomendado. Porém, segundo Morgan (1996), um dos requisitos

para as argamassas de reparo seria possuir resistência à compressão superior ao concreto do

substrato. Daí, de acordo com esse autor, todas as argamassas atenderiam a tal

recomendação.

Segundo Pinto (2004), sob um elevado estado de tensão, a estrutura microporosa

do geopolímero entra em colapso lenta e progressivamente, diferentemente do que ocorre

em materiais com elevada resistência mecânica, fazendo com que o mecanismo de ruptura

se processe em um intervalo de tempo, e não de uma forma brusca e rápida. Portanto, já que

as argamassas geopoliméricas apresentaram maior resistência em relação ao concreto do

substrato, tal propriedade favorece a utilização dos geopolímeros nesse método de

reabilitação de estruturas, o reparo. 6.3.2 Módulo de elaticidade das argamassas em relação ao substrato.

Tomando ainda como referência o concreto do substrato, o módulo de

elasticidade das argamassas foi avaliado comparativamente. Na Tabela 6.13, segue um

resumo desses valores.

Tabela 6.13 – Resumo comparativo do Módulo de Elasticidade dos materiais analisados.

Material E (Mod. Elast.) (GPa) – C.V. Comparativo

Substrato 30,88 – 2,62 1,00 A100 14,06 – 0,82 0,46 A150 15,33 – 3,16 0,50 Graute 30,72 – 14,60 0,99

Para melhor visualização, observa-se na Figura 6.14, barras compartivas dos

módulos de elasticidades dos compósitos avaliados.

148

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

Mód

ulo

de E

last

icid

ade

(GPa

)

Corpos-de-prova do Substrato e Reparos

Concreto A100 A150 Graute

Figura 6.14 – Gráficos relacionando a Média dos Módulos de Deformações versus corpos-de-prova cilíndricos de

materiais diferentes (de concreto do substrato e das argamassas de reparo).

A argamassa geopolimérica A100 apresentou o menor valor dessa propriedade

(14,06GPa), que corresponde a 46,00% do valor encontrado para o concreto. Na argamassa

geopolimérica A150, a diminuição correspondeu a 50,00% em relação à referência. Para o

graute, que possui base cimentícia, o valor do módulo de elasticidade encontrado foi de

30,72GPa, correspondendo a 99,00% do valor do módulo do concreto.

Após verificação dos dados obtidos, nota-se que o graute foi a argamassa de

reparo que apresentou módulo de deformação mais próximo do concreto do substrato,

enquanto as argamassas geopoliméricas apresentaram baixos valores em relação ao

substrato, porém quase semelhantes entre eles.

Durante a revisão bibliográfica, foi verificado que ainda há controvérsias em

relação ao módulo de deformação para materiais de reparo, pois alguns autores citam ser

importante que esses materiais apresentem-se mais rígidos do que o material de substrato.

Outros autores citam que materiais de reparação com a rigidez excessivamente elevada

devem ser evitados, pois podem causar, na área reparada, concentração de carga indevida.

Após a fissuração, como é o caso da viga de concreto, materiais com alto módulo

de deformação e boa aderência mecânica, permitem a transferência de cargas do substrato

para o reparo (com menor rigidez e maior resistência), proporcionando acréscimo na

resistência do sistema reparo/substrato (VELASCO, 2008). Por outro lado, a falha da

aderência implica perda completa da ação conjunta entre o reparo e o concreto,

comprometendo a estabilidade estrutural do sistema.

149

A mais baixa rigidez, encontrada no geopolímero A100 em relação às demais

argamassas, é vantajosa no caso de reparos de estruturas, dado que esse material pode

assumir estados de deformação mais avançados sem provocar maior fissuração do que se

poderia esperar com a utilização da argamassa de referência (maior rigidez).

Portanto, essa propriedade é tomada também como determinante na escolha do

material de reparo, por contribuir para o bom desempenho do sistema reparo/substrato. 6.4 Comportamento mecânico e da aderência do sistema reparo/substrato

A análise da aderência do sistema reparo/substrato de concreto foi realizada

através de dois métodos de ensaios. No primeiro método, analisou-se a aderência através do

comportamento mecânico das vigas (ABNT NBR 12142:1994), com diferentes

configurações de reparo, onde algumas de suas propriedades foram monitoradas: carga,

deslocamento e deformações especificas. No segundo método, analisou-se o

comportamento da aderência, através do tipo de ruptura que ocorreu nas vigas ensaiadas à

flexão (AFNOR NF P 18.851:1992). 6.4.1 Comportamento mecânico do sistema reparo/substrato através do ensaio de

flexão a quatro pontos (ABNT NBR 12142:1994) Comportamento Carga versus Deformação Vertical (Flecha ou P-δ)

Uma das verificações do desempenho no mecanismo da aderência do sistema

reparo/substrato é através da avaliação e análise do comportamento carga-deformação

vertical (flecha) das vigas reparadas, utilizando diferentes materiais de reparo (BEBER et

al., 1999).

O ensaio de flexão a quatro pontos é recomendado em estudo de vigas reforçadas

em entalhes na base (GAVA et al., 2004). O entalhe na viga cria uma menor seção

transversal, induzindo o surgimento das fissuras nessa região. Essa configuração de ensaio

induz o surgimento de uma única fissura em local pré-definido e realização do teste de

forma estável, pois é possível controlar a velocidade de carregamento em função da

abertura da fissura Geopalaratnam e Gettu (1995 apud GAVA et al., 2004). Essas vigas

150

apresentam uma região entre os pontos de aplicação de carga, de flexão pura, com

momento fletor constante.

Nesta pesquisa, as vigas foram submetidas ao ensaio de flexão a quatro pontos

até a ruptura (flexão pura), aos 56 dias de idade, cujos dados foram coletados para

determinação das curvas cargas-deslocamento de cada uma delas. O carregamento foi

crescente até a ruína da viga. As flechas no meio das vigas foram determinadas com

emprego de LVDT (Transdutor). Todas as vigas foram ensaiadas com duas cargas

aplicadas nos terços médios dos vãos.

O comportamento estrutural de cada viga foi observado e monitorado durante

todo o ensaio e os dados aquisitados foram tratados estatisticamente. Tendo como

parâmetro um desvio relativo máximo de 6,00%, alguns valores e curvas foram

descartados, restando apenas os apresentados na Figura 6.15.

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,250,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

CP01 - Viga Monolítica CP02 - Viga Monolítica

Car

ga (K

N)

Flecha (mm)0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

CP02 - Viga com reparo A100 CP03 - Viga com reparo A100 CP04 - Viga com reparo A100

Car

ga (K

N)

Flecha (mm)

(a) Vigas sem reparo. (b) Vigas com geopolímeros A100.

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,250,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

CP01 - Viga com reparo A150 CP02 - Viga com reparo A150 CP03 - Viga com reparo A150

Car

ga (K

N)

Flecha (mm)0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

CP01 - Viga com reparo de Graute CP03 - Viga com reparo de Graute CP04 - Viga com reparo de Graute

Car

ga (K

N)

Flecha (mm)

(c) Vigas com geopolímeros A150 (d) Vigas com Graute.

Figura 6.15 - Curvas carga x deslocamentos para as vigas: (a) sem reparo e com reparos (b) A100; (c) A150 e (d) Graute.

151

Diferenças são observadas, portanto, entre as cargas máximas atingidas pelas

vigas, sendo que as vigas reparadas com as argamassas A100 apresentaram os maiores

valores de carga máxima.

Para representação do comportamento de cada sistema de reparo/substrato em

concreto, foi selecionada (dentre as curvas obtidas no programa experimental) uma de cada

grupo (monolítica e com reparos) por conta do desempenho distinto entre elas. Ao invés da

curva “típica”, selecionou-se a curva de “maior potencial” para representação desses

compósitos, sendo a curva “potencial” aquela que representa o comportamento do exemplar

do grupo que demonstrou maior resistência de ruptura.

Na Figura 6.16, reúnem-se as curvas “potenciais” das vigas de concreto

monolíticas e das vigas reparadas.

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,250,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

CP02 - Viga Monolítica CP03 - Viga com reparo A100 CP03 - Viga com reparo A150 CP03 - Viga com reparo de Graute

Car

ga (K

N)

Flecha (mm)

Figura 6.16 - Curvas carga x deslocamento das vigas (curvas com maior potencial), ensaiados à tração na flexão a

quatro pontos.

Observa-se que as deformações verticais lidas nas vigas no meio do vão

apresentam curvas bem próximas. Tal fato indica perfeita aderência do reparo ao concreto,

permitindo o trabalho solidário do sistema de substrato/reparo.

152

Observa-se, também, que o comportamento de cada sistema de reparo

independente da argamassa utilizada, são similares até a carga de aproximada de 12,00 KN

(força de fissuração do concreto), onde a resposta nas vigas ensaiadas são semelhantes e

nenhuma diferença significativa é notada. Até essa carga, cada sistema (substrato/reparo)

permaneceu íntegro. Após a fissuração do concreto, é bastante nítido o aumento da

capacidade resistente nas vigas reparadas/reforçadas em relação à viga monolítica (sem

reparo/reforço).

O aumento da carga de ruptura nas vigas com entalhes pode ser atribuído

portanto, ao uso das diferentes argamassas de reparo.

O entalhe nas vigas preenchidas com as argamassas de reparo diminuiu a rigidez

do sistema, mesmo aumentando a capacidade resistente das peças. Isso reduz do sistema a

susceptibilidade de surgimento de uma ruína frágil e indesejável, por possibilitar o aumento

do aproveitamento das propriedades resistentes à tração do sistema concreto com

argamassas de reparo.

Na Tabela 6.14, verifica-se um resumo com comparação dos valores das cargas

máximas ou de ruptura e os deslocamentos verticais máximos no meio do vão de cada viga

considerada, após o tratamento estatístico.

Tabela 6.14 – Valores de carga máxima (ou início de fissuração) e deslocamento vertical máximo das vigas

Viga Vigas com curvas de “maior potencial”

Força (KN) Experimental

Resistência

(MPa)

Comparativo

das cargas

Flecha δ (mm)

Comparativo das flechas

VM CP 02 Monolítica 11,99 3,60 1,00 0,025 1,00 VA100 CP 03 A100 14,76 4,43 1,23 0,053 2,12 VA150 CP 03 A150 13,44 4,03 1,12 0,045 1,80 GR CP 03 Graute Comercial 14,41 4,32 1,20 0,039 1,56

Pode-se dizer que, para o sistema adotado (reparo no entalhe), a contribuição das

argamassas em termos de resistência foi incrementada, com ganho, após a incorporação do

reparo, indicando ter havido até reforço na capacidade portante da estrutura de concreto

reparado.

A viga com argamassa de reparo geopolimérico do Tipo A100 mostrou-se

superior às demais em relação à capacidade de deformação antes de ruir. Essa viga superou

a monolítica em 112%; já a viga reparada com o geopolímero A150 superou a monolítica

153

em 80%. Quanto à viga reparada com graute, sua deformação vertical foi inferior às vigas

com reparo geopolimérico, porém, ainda assim, superou a viga monolítica em 56%. Logo,

as argamassas geopoliméricas apresentaram-se com maior capacidade de deformação em

relação à referência, mostrando-se mais adequadas para reparo do que o graute.

A presença do entalhe na face inferior das vigas causa a concentração de tensões

nessa região (que é de máximo esforço de tração) e, com isso, tenderia a provocar

alterações significativas nos valores de carga de ruptura das vigas com carga inferior às

cargas de ruptura da viga monolítica. Porém, para todos os deslocamentos verticais

analisados, as cargas dessas vigas reparadas foram sempre maiores que às da referência, o

que demonstra que a presença do reparo nos entalhes, mesmo provocando uma elevada

concentração de tensões na região próxima a eles, contribuiu com um incremento de

resistência, aumentando a capacidade de suporte de carga na estrutura.

Na Figura 6.17, observa-se detalhe das curvas “potenciais” carga-flecha das

vigas, ensaiadas para melhor comparação entre as capacidades de carga.

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,070,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

CP02 - Viga Monolítica (P = 11,99KN) CP03 - Viga com reparo A100 (P = 14,76KN) CP03 - Viga com reparo A150 (P = 13,44KN) CP03 - Viga com reparo de Graute (P = 14,41KN)

Car

ga (K

N)

Flecha (mm)

Figura 6.17 - Detalhe de curvas carga x deslocamento das vigas, ensaiadas à tração na flexão a quatro pontos das

vigas (monolítica e com reparos).

Observa-se o aumento da capacidade de carga nas vigas com argamassas de

reparo, principalmente para o reparo geopolimérico A100, quando comparado às demais

argamassas.

154

Na Figura 6.18, para comparação entre os deslocamentos verticais (flechas),

observa-se as curvas “potenciais” das vigas reparadas de concreto para um carregamento

igual a 90% da carga de ruína da viga monolítica, ou seja, carga de aproximadamente 10,80

KN.

0,00 0,01 0,02 0,030,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

CP02 - Viga Monolítica (δ = +/- 0,021 mm) CP03 - Viga com reparo A100 (δ = +/- 0,028 mm) CP03 - Viga com reparo A150 (δ = +/- 0,027 mm) CP03 - Viga com reparo de Graute (δ = +/- 0,020 mm)

Car

ga (K

N)

Flecha (mm)

10,80

Figura 6.18 - Detalhe de curvas carga x deslocamento das vigas, ensaiadas à tração na flexão a quatro pontos

para carga máxima de 10,80KN (90% da carga máxima de ruptura da viga monolítica).

Observa-se que, para a carga destacada (10,80kN), as argamassas de reparo com

geopolímeros apresentaram-se com as maiores flechas, ou seja, com menor rigidez em

relação à viga monolítica e à reparada com graute. Isso demonstra o bom desempenho que

essas argamassas obtiveram em relação à aderência, bem como à capacidade de servir como

material de reforço de estruturas.

Na Tabela 6.15, apresenta-se uma comparação entre os deslocamentos verticias

das vigas no meio do vão para um carregamento igual a 10,80kN.

155

Tabela 6.15 – Comparação das flechas das vigas no meio do vão a 90% da carga máxima de

ruptura da viga de referência.

Viga Materiais

da curva com “maior potencial”

Flecha δ (mm)

Comparativo das flechas

VM CP 02 Viga Monolítica de referência, sem reparo. 0,021 1,00 VA100 CP 03 Viga com reparo em geopolímero A100 0,028 1,33 VA150 CP 03 Viga com reparo em geopolímero A150 0,027 1,29 GR CP 03 Viga com reparo em Graute Comercial 0,020 0,95

Os valores demonstram que as vigas reparadas com as argamassas

geopoliméricas apresentaram-se menos rígidas do que a viga de referência. A flecha da viga

com reparo geopolimérico A100 foi 33% maior do que a flecha da viga referencial. A viga

reparada com o geopolímero A150 apresentou flecha menos pronunciada do que a viga

com o A100, porém mais pronunciada do que a flecha da viga sem reparo, ou seja, 29%

superior à flecha da viga monolítica. O comportamento da viga reparada com o graute foi

semelhante ao da viga monolítica de concreto.

Logo, a inovação proposta da presente pesquisa, reparo do banzo tracionado de

viga de concreto com argamassa geopolimérica, não somente é eficaz em termos de

capacidade portante, como também pela mais baixa rigidez, ou seja, maior grau de

deformabilidade em relação ao substrato, requisito importante no reparo de estruturas de

concreto (CUSSON e MAILVAGANAM, 1996 apud SILVA JR e HELENE,2001). Comportamento Carga versus Deformação Lateral

Para o monitoramento das deformações específicas do concreto e dos reparos

foram utilizados extensômetros coláveis de resistência elétrica, modelo para aplicações em

concreto (strain-gages). Os resultados desses strain-gage permitiram traçar o perfil de

deformações específicas e, consequentemente, deformações em diferentes pontos poderão

ser comparadas entre vigas com diferentes reparos.

Na Figura 6.19, podemos observar o modelo adotado para as vigas com reparo e

os pontos de instrumentação, em que foram colocados os strain-gages de monitoração das

deformações laterais.

156

Figura 6.19 – Posicionamento da instrumentação nas vigas ensaiadas (medidas em mm).

É interessante fazer a análise comparativa das deformações presentes abaixo da

linha neutra (meia seção) com o desempenho das vigas durante o ensaio de flexão, pois,

nesta posição, é que estão concentrados os maiores esforços de tração durante todo o ensaio

e, por isso, os extensômetros posicionados nesta região são os que participam mais

efetivamente na transferência de tensões. Pode-se, então, fazer a verificação de desempenho

do reparo, comparando os resultados das curvas carga-deformação vertical (deslocamento)

com as curvas carga-deformação na face lateral.

Na Tabela 6.16, são apresentados os valores das deformações laterais fornecidas

pelos extensômetros, colocados nos pontos indicados no esquema da Figura 6.19, no

instante de atuação da carga máxima de ruptura das vigas ensaiadas. Tabela 6.16 – Valores das cargas de ruptura, flechas máximas e deformações laterais para cada viga ensaiada.

Materiais Carga de

Ruptura (kN) Experimental

Flecha (mm)

Experimental

Pontos de instrumentação

e suas respectivas deformações máximas laterais (με)

Ponto 1 ε superior (zona

comprimida)

Ponto 2 ε lateral no

substrato

Ponto 3 ε lateral no

reparo

Ponto 4 ε inferior (zona

tracionada) Viga Monolítica - VM01 11,99 0,025 -105,29 - - 53,28 Viga com A100 - VA100 14,76 0,053 -171,27 484,43 320,32 348,85 Viga com A150 - VA 150 13,44 0,045 -180,04 281,49 155,70 22,17 Viga com Graute - GR 01 14,41 0,039 -139,97 386,34 177,97 564,92

157

Observa-se que a viga monolítica e a reparada com graute apresentaram os

menores valores de deformação na zona comprimida (Ponto 1) em relação às vigas com

reparo geopolimérico. Nos outros pontos, a dispersão dos valores foi muito grande, não

oferecendo confiabilidade para uma boa interpretação. Verifica-se também a menor

deformação lateral na zona tracionada (Ponto 4) para a viga reparada com o geopolímero

A150.

Na Tabela 6.17, apresenta-se uma comparação entre os deslocamentos laterais

nos diferentes pontos instrumentalizados com extensômetros para um carregamento igual a

90% da força de ruína da viga monolítica, ou seja, carga de, aproximadamente, 10,80kN.

Os valores mostram que a viga reparada com o geopolímero A100 apresenta-se com a

maior deformação na zona tracionada (Ponto 4), superando os demais reparos. Para a zona

comprimida, o que pode ser avaliado é que a argamassa geopolimérica A150, apresenta

maior deformação em relação às demais argamassas.

Tabela 6.17 – Valores das flechas e deformações laterias das vigas a uma carga correspondente a

90% da carga de ruptura da viga monolítica (referência).

Materiais Carga de Ruptura

(kN) Experimental

Flecha (mm) Experimental

Pontos de instrumentação

e suas respectivas deformações máximas laterais (με)

Ponto 1 ε superior (zona

comprimida)

Ponto 2 ε lateral no

substrato

Ponto 3 ε lateral no

reparo

Ponto 4 ε inferior (zona

tracionada) VM 01 Viga Monolítica 10,80 0,021 -88,64 68,26 VA100 Viga com reparo 10,80 0,028 -85,17 195,21 128,34 182,44 VA 150 Viga com reparo 10,80 0,027 -114,53 219,30 116,35 25,39GR 01 Viga com reparo 10,80 0,020 -75,09 104,52 45,93 97,47

Dos dados obtidos da Tabela 6.17, verifica-se que a viga monolítica e a reparada

com graute (argamassa de referência) foram as que apresentaram menor flecha no meio do

vão em relação às vigas com reparo geopolimérico que apresentaram flechas maiores e com

valores semelhantes entre elas. Em relação às deformações laterais observadas nos Pontos

1, 2 e 3, por conta do desempenho distinto entre os valores de cada grupo, as mesmas não

ofereceram confiabilidade para uma boa interpretação, porém, analisando e comparando

apenas as argamassas geopoliméricas, verificam-se menores valores de deformação no

158

Ponto 3 e 4 para as vigas reparadas com A150, em relação às vigas reparadas com A100,

confirmando, assim, a contribuição do reparo A150 no aumento da rigidez da peça.

Na Figura 6.20 observa-se o comportamento dos strain-gages localizado na zona

tracionada das vigas (ponto 4 da Figura 19), através da curva carga versus deformação

lateral para cada argamassa de reparo.

0 100 200 300 400 500

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Car

ga (K

N)

Deformação (Strain-Gage) na zona tracionada (με)

Viga com reparo A100 Viga com reparo A150 Viga com reparo Graute

Figura 6.20 - Curva carga x deformação lateral na zona tracionada das vigas (com reparo: A100, A150,

Graute).

Observa-se, dos dados obtidos no gráfico, que, para uma mesma carga, a

deformação é menor para o graute do que para as argamassas geopolimérica, sendo que,

para a argamassa A150, esse valor ainda é menor do que para a argamassa A100. Assim, a

argamassa A150 é o material que resiste as maiores cargas, deformando-se menos, a

depender do aumento da solicitação. Comportamento Carga versus Deformação Lateral na interface substrato/reparo

Para verificar se houve perda de aderência na região da junta entre o substrato e o

reparo, foi realizada, para as argamassas de reparo, análise dos deslocamentos horizontais

relativos, através das curvas carga-deformação lateral do substrato (Ponto 2) e dos reparos

159

(Ponto 3) apresentados na Figura 6.21. O gráfico da viga monolítica não foi apresentado em

função de se apresentar com dados inconsistentes na coleta e aquisição dos dados.

0 250 500 750 1000 1250 15000,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

Car

ga (K

N)

Deformação horizontal da junta no substrato e reparo (με)

Srain Gage no Substrato Srain Gage no Reparo A100 Srain Gage no Substrato Srain Gage no Reparo A150 Srain Gage no Substrato Srain Gage no Graute

Figura 6.21 – Comparação dos deslocamentos horizontais (deformações) relativos entre o material do

substrato e o material de reparo/reforço (A100, A150 e com Graute) para a região da junta.

Observa-se que, em todos os casos, os deslocamentos horizontais foram

praticamente desprezíveis até a carga vertical de aproximadamente 13,50kN. A partir desse

instante, inicia-se a fissuração na junta. É nesse momento que as argamassas de reparo

passam a ser solicitadas a suportar os esforços de tração, servindo, assim, de reforço para a

estrutura. Como a resistência à tração do reparo/reforço é maior do que a do substrato, as

fissuras acabam encontrando um material mais deformável, as argamassas. Nota-se, então,

que a ruptura real das vigas ocorreu por deformação excessiva do reparo.

Fica então demonstrada, a boa aderência entre o substrato e as argamassas de

reparo e que a presença das argamassas de reparo no entalhe aumentou a capacidade

resistente da estrutura.

160

6.4.2 Comportamento da Aderência ao Cisalhamento na Flexão das Vigas

Monolíticas e com Reparo (AFNOR NF P 18-851:1992) Viga de concreto – Monolítica

Nas Figuras 6.22 e 6.23, observam-se os resultados dos ensaios de flexão a

quatro pontos em corpo-de-prova prismático de concreto monolítico (sem entalhe) que

servirá de referência para a observação do tipo de ruptura segundo recomendações da

AFNOR NF 18.851:1992.

(a) Configuração do ensaio, viga monolítica de concreto. (b) Ruptura da viga de concreto tipo M - Monolítica. Figura 6.22 – Configuração do ensaio e detalhe da ruptura da viga monolítica. Ensaio AFNOR NF P 18-851:1992.

Figura 6.23 – Vista da forma de ruptura Tipo M – Monolítica. Ensaio AFNOR NF P 18-851:1992.

Verifica-se que o corpo-de-prova prismático de concreto, ao receber os esforços

durante o ensaio de tração na flexão a quatro pontos, rompeu no seu terço médio.

161

Observou-se também que, na ruptura, a fissura se propagou da base para o topo, semelhante

a ruptura do Tipo M – Monolítica prescrita na AFNOR NF P 18-851:1992. Viga de concreto – Reparada com a argamassa de referência (Graute)

Nas Figuras 6.24 e 6.25, observa-se os resultados dos ensaios de flexão a quatro

pontos em corpo-de-prova prismático de concreto com entalhe preenchido com a argamassa

de referência (graute), para verificação do tipo de ruptura segundo recomendações da

AFNOR NF 18.851:1992.

(a) Configuração do ensaio, viga com reparo em graute. (b) Ruptura da viga reparada com graute, tipo I-2.

Figura 6.24 – Configuração do ensaio e detalhe da ruptura Tipo I-2 – Viga com graute. Ensaio AFNOR NF P 18-851:1992.

Figura 6.25 – Vista da forma de ruptura Tipo I-2 – Viga com Graute. Ensaio AFNOR NF P 18-851:1992.

No corpo-de-prova prismático de concreto reparado com graute, observa-se que o

material de reparo se desprendeu na parte inclinada do reparo, com o desenvolvimento da

fissura para o concreto. Nota-se, então, que a forma de ruptura, foi do Tipo I-2, baseada na

norma francesa, que prescreve esse como um dos tipos de ruptura para corpos reparados.

162

Viga de concreto – Reparada com Geopolímero (A100)

Nas Figuras 6.26 e 6.27, observa-se os resultados dos ensaios de flexão a quatro

pontos em corpo-de-prova prismático de concreto com entalhe preenchido com uma

argamassa geopolimérica (A100), para verificação do tipo de ruptura segundo

recomendações da AFNOR NF 18.851:1992.

(a) Configuração do ensaio, viga com reparo A100. (b) Ruptura da viga com A100, tipo M - Monolítica.

Figura 6.26 – Configuração do ensaio e detalhe da ruptura Tipo M – Monolítica. Ensaio AFNOR NF P 18-851:1992.

Figura 6.27 – Vista da forma de ruptura Tipo M – Viga com reparo A100. Ensaio AFNOR NF P 18-851:1992.

Do ensaio realizado, verifica-se que o corpo-de-prova prismático de concreto

reparado com o geopolímero do tipo A100, ao receber os esforços durante o ensaio,

apresentou-se com início de fissura no reparo, localizado no terço médio do corpo-de-

prova. Posteriormente, com o rompimento do reparo, houve propagação da fissura para o

prisma de concreto, agindo de forma monolítica (Tipo M).

163

Viga de concreto – Reparada com Geopolímero (A150)

Nas Figuras 6.28 e 6.29, observa-se os resultados do ensaio de flexão a quatro

pontos em corpo-de-prova prismático de concreto com entalhe preenchido com uma

argamassa geopolimérica (A150) de reparo, para verificação do tipo de ruptura segundo

recomendações da AFNOR NF 18.851: 1992.

(a) Configuração do ensaio, viga com reparo A150. (b) Ruptura da viga com A150, tipo M - Monolítica.

Figura 6.28 – Configuração do ensaio e detalhe da ruptura Tipo M – Monolítica. Ensaio AFNOR NF P 18-851:1992.

Figura 6.29 – Vista da forma de ruptura Tipo M – Viga com reparo A150. Ensaio AFNOR NF P 18-851:1992.

A partir do ensaio realizado, verifica-se que o corpo-de-prova prismático de

concreto reparado com o geopolímero do tipo A150 comportou-se como no ensaio anterior

(com geopolímero do tipo A100), ou seja, ao receber os esforços durante o ensaio,

apresentou-se com início de fissura no reparo, localizado no terço médio do corpo-de-

prova, com o rompimento do reparo. Posteriormente houve propagação da fissura para o

prisma de concreto, agindo de forma também monolítica (Tipo M).

164

Neste trabalho, verifica-se, então, que as vigas foram analisadas no trecho entre

as cargas, em que ocorre a flexão pura com momento fletor constante, ou seja, há

desconsideração total do efeito de esforços cortantes. Considerando-se uma análise

simplificada, verifica-se que a região horizontal centralizada da interface entre a superfície

do concreto e a argamassa de reparo recebe um esforço de cisalhamento puro gerado pelo

carregamento, enquanto que nas duas faces inclinadas da reentrância, os esforços de

cisalhamento e de tração são combinados.

Na Tabela 6.18, podemos visualizar um resumo das diferentes configurações de

abertura de fissuras nas vigas ensaiadas.

O concreto apresentou ruptura do Tipo M, comportando-se portanto, como era de

se esperar, como um material monolítico, tal como é considerado. O rompimento se deu a

partir das fibras inferiores (zona de tração), onde inicia-se o processo de fissuração com

propagação para o prisma do concreto até a zona comprimida.

Tabela 6.18 – Tipos de ruptura que ocorreram. Ensaio AFNOR NF P 18-851:1992.

Viga Característica do Material

Tipo de Ruptura Modo de Ruptura

VM CP01 Viga Monolítica de

referência, sem reparo Tipo M VM CP02

VM CP03

VA100 CP01 Viga com reparo em geopolímero A100 Tipo M VA100 CP02

VA100 CP03 VA100 CP04 VA150 CP01 Viga com reparo em

geopolímero A150 Tipo M VA150 CP02 VA150 CP03 VA150 CP04 GR CP01

Viga com reparo em Graute Tipo I-2 GR CP02

GR CP03 GR CP04

As argamassas de reparo geopoliméricas apresentaram-se com aderência elevada,

comportando-se também como material monolítico, semelhante ao que ocorreu com o

concreto. A ruína nessas vigas reparadas foi provocada por fissuras causadas por flexão.

Elas começaram no bordo tracionado das peças e avançaram em direção à linha neutra.

Esse tipo de fissura tem abertura variável: são mais abertas no bordo tracionado da seção e

165

vão diminuindo de abertura à medida que chegam perto da linha neutra. No caso, essas

argamassas de reparo apresentaram-se com uma aderência considerável, favorecendo o

substrato de concreto. Assim, a peça pode suportar maiores intensidades de solicitações,

conforme foi verificado na analise do comportamento mecânico da aderência através do

ensaio de flexão à quatro pontos, quando comparada com valores obtidos em corpos-de-

prova apenas de concreto.

A argamassa de referência (graute) apresentou ruptura do Tipo I-2, ou seja,

desprendimento da parte inclinada do reparo e desenvolvimento da fissura para o concreto

do substrato. Nesse caso, a ruptura se deu na região inclinada do entalhe (reentrância), com

a propagação da fissura para o concreto a partir da interface em sua região horizontal.

Porém, essa ruptura só ocorreu após elevada carga aplicada no ensaio, conforme foi

verificado também na análise do comportamento mecânico da aderência através do ensaio

de flexão a quatro pontos, onde a peça rompeu a partir da fibra inferior do concreto, após o

desprendimento do material de reparo.

É necessário notar, portanto, que as vigas reparadas com argamassas

geopoliméricas obtiveram desempenho satisfatório nos ensaios de resistência de aderência

ao cisalhamento na flexão pois tiveram resultados de ruptura à flexão semelhantes aos das

peças íntegras de concreto monolítico. Esse comportamento teve relação evidente entre os

resultados de ensaio de resistência de aderência ao cisalhamento na flexão com o ensaio de

resistência à tração na flexão dos corpos-de-prova prismáticos, que indicaram resultados

bem superiores aos dos corpos monolíticos.

166

CCaappííttuulloo 77..

Considerações Finais 7.1 Conclusões

Ao final da pesquisa, a partir dos resultados experimentais obtidos, foram

estabelecidas considerações com relação à aderência e ao incremento de resistência e

rigidez proporcionada pelo reparo/reforço adotado, concluindo que a reconstituição e o

reforço de entalhe do banzo tracionado das vigas reparadas com argamassas geopoliméricas

não somente são eficazes em termos de capacidade de carga, pelo incremento de resitência

ao sistema, como também em termos de rigidez e de aderência.

Constatou-se também a influência do tipo de material (graute ou geopolímero) na

variabilidade dos resultados e que a falha na aderência implica a perda completa da ação

conjunta entre o reparo/substrato de concreto, comprometendo a estabilidade do elemento

estrutural.

De acordo com os resultados apresentados neste trabalho para as propriedades

das argamassas geopoliméricas e de aderência reparo/substrato, é possível concluir, então: Propriedades das argamassas geopoliméricas em relação ao graute

Da análise dos dados e tomando como referência o graute, pode-se verificar que

a argamassa geopolimérica A150 foi a que apresentou a maior resistência média à

compressão. Quanto ao módulo de elasticidade, as argamassas geopoliméricas

apresentaram valores semelhantes entre si, porém inferiores ao valor do graute. Pela

avaliação dos dados obtidos para o Rtcd, verifica-se que o graute apresentou maior valor de

resistência à tração por compressão diametral (Rtcd), seguidos dos geopolímeros A150 e

pelo geopolímero A100, que apresentou o menor valor dessa propriedade. Para a resistência

de carga de ruptura na tração direta (ft), o graute apresentou maior valor, seguido do

geopolímero A100 e, por último, pelo geopolímero A150. No ensaio de resistência à tração

na flexão, as argamassas geopoliméricas apresentaram-se com os menores valores.

167

Propriedades das argamassas geopoliméricas em relação ao concreto do substrato

Entre as argamassas de reparo, todas superaram a resistência à compressão em

relação ao concreto do substrato, porém o geopolímero A150 foi a que apresentou o maior

valor;

As argamassas geopoliméricas apresentaram valores mais baixos em relação ao

substrato, porém são quase semelhantes entre eles. O graute foi a argamassa de reparo que

apresentou módulo de deformação mais próximo do concreto do substrato. Aderência pelo modo de ruptura

Pela avaliação das vigas em relação ao modo de ruptura, verificou-se que o

graute foi o único que rompeu diferentemente dos demais, pois o material de reparo

desprendeu-se do substrato na parte inclinada, sendo que a viga monolítica e as reparadas

com argamassas geopoliméricas se romperam no terço médio, e que a fissura se propagou

da base para o topo, classificada, segundo a AFNOR NF P 18-851 (1992), como do Tipo M

– Monolítica. Logo, o desempenho das argamassas geopoliméricas foi satisfatório em

relação à aderência.

Aderência pelo comportamento no ensaio de tração na flexão a quatro pontos

Através da avaliação das curvas versus deformações verticais lidas nas vigas no

meio do vão, obtidas do ensaio de resistência à tração na flexão a quatro pontos, foi

observado que as curvas apresentaram-se bem próximas. Esse comportamento indica

perfeita aderência do reparo ao concreto, permitindo o trabalho solidário do sistema de

substrato/reparo.

Pode-se dizer que, para o sistema adotado (reparo no entalhe), a contribuição das

argamassas em termos de resistência foi incrementada, com ganho, após a incorporação do

reparo, indicando ter havido não só um reparo, mas sim, um reforço na capacidade portante

da estrutura de concreto reparado.

Os valores demonstram que as vigas reparadas com as argamassas

geopoliméricas apresentaram-se menos rígidas do que a viga de referência. A flecha da viga

com reparo geopolimérico A100 foi 33% maior do que a flecha da viga de referência. A

viga reparada com o geopolímero A150 apresentou flecha menos pronunciada do que a

viga com o A100, porém mais pronunciada do que a flecha da viga sem reparo, ou seja,

168

29% superior à flecha da viga monolítica. O comportamento da viga reparada com o graute

foi semelhante ao da viga monolítica de concreto.

Na verificação do desempenho da aderência na região da junta entre o substrato e

o reparo, através do comportamento carga versus deformação lateral na interface

substrato/reparo, foi observado que em todos os casos os deslocamentos horizontais foram

praticamente desprezíveis até a carga vertical de aproximadamente 13,50KN, mostrando

uma perfeita aderência entre os materiais. A partir desse instante é que se inicia a fissuração

na junta. É nesse momento que as argamassas de reparo passam a ser solicitadas a suportar

os esforços de tração, servindo, assim, de reforço para a estrutura.

Fica, então, demonstrada a boa aderência entre o substrato e as argamassas de

reparo e que a presença das argamassas de reparo no entalhe aumentou a capacidade

resistente da estrutura, sendo que a maior contribuição observada foi a do reparo A150,

quanto ao aumento da rigidez da peça.

Logo, a inovação proposta da presente pesquisa, reparo do banzo tracionado de

viga de concreto com argamassa geopolimérica, não somente é eficaz em termos de

capacidade portante, mas também pela mais baixa rigidez, ou seja, maior grau de

deformabilidade em relação ao substrato, requisito considerado importante no reparo de

estruturas de concreto.

Porém, não se deve deixar de mencionar que, apesar de a metodologia aplicada

neste trabalho ter se mostrado eficaz para avaliar o comportamento da aderência do

reparo/reforço ao substrato de diferentes argamassas, mais investigações precisam ser

realizadas com estes materiais, principalmente com relação às propriedades das argamassas

geopoliméricas, para que, no futuro, esse material inovador possa ser aproveitado de forma

adequada e segura e em termos de sustentabilidade ambiental. 7.2 Sugestões para trabalhos futuros

Para o uso de argamassas geopoliméricas em reparo/reforço sob diferentes

condições faz-se necessária a avaliação do seu comportamento sob diferentes condições e

esforços, sendo este trabalho uma contribuição inicial.

Como sugestão para futuros trabalhos, seguem alguns temas:

169

• fazer estudo de dosagem de diferentes argamassas geopoliméricas utilizando

metacaulim da região do estado da Bahia como precursor do geopolímero;

• estudo da aderência entre reparo com argamassa ou concreto geopolimérico

aplicado a substrato de concreto, utilizando diferentes tipos de ensaios de aderência;

• ensaios com diferentes superfícies de contato reparo/substrato;

• estudo do geopolímero como argamassa de revestimentos de elevada durabilidade

em meios agressivos adversos;

• estudo do geopolímero na produção de argamassas ou de concreto para reparo e/ou

reforço de estruturas de grande porte;

• estudo da deformabilidade das argamassas geopoliméricas (retração, fluência,

coeficientes de dilatação térmica, etc.);

• estudo com ênfase no maior aproveitamento ou incorporação de resíduos industriais

diversos na produção de argamassas ou concreto geopolimérico;

• realização de estudo com resíduo da indústria de craqueamento de petróleo na

produção de cimento geopolimérico, argamassas ou concreto, como formas de

enclausuramento desse resíduo, bem como aproveitar sua grande atividade, por ser

um aluminossilicato, amorfo, que já sofreu ativação térmica natural do processo;

• realização de estudo com álcaliativação de resíduo da indústria de papel e celulose

na na produção de cimento geopolimérico, argamassas ou concreto, como formas de

enclausuramento desse resíduo, bem como aproveitar sua grande atividade por ser

um aluminossilicato (com alto teor de SiO2 e Al2O3);

• Outros estudos sugeridos: Propriedades Reológicas; Retração e Fluência; Tempo de

Pega; Consistência; Porosidade (permeabilidade); utilização de aditivos

retardadores de pega; comportamentos das formulações com uso de diferentes

ativadores alcalinos; estudo de durabilidade das argamassas geopoliméricas; estudo

de lixiviação; estudo de permeabilidade; ataque por cloretos; carbonatos; ácidos;

estruturas em contato com meios agresivos; confinamento de materiais perigosos

(metais pesados e produtos tóxicos).

170

RREEFFEERRÊÊNNCCIIAASS

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