Concreto estrutural com teores muito Concreto estrutural com teores muito elevados de adielevados de adiçções minerais: um estudo ões minerais: um estudo

de durabilidadede durabilidadeGeraldo C. IsaiaGeraldo C. Isaia

VIII Seminário

“Desenvolvimento Sustentável e a Reciclagem

na Construção Civil” CT-MAB MEIO

AMBIENTE

Água - m3

Cimento - t

Agregado - tHabitantes - u

n

2030 2050

20

25

30

35

40

45

2

3

6

8

1

4

5

7

9

10

11

CONSUMO DE MATERIAIS DO CONSUMO DE MATERIAIS DO CONCRETOCONCRETO

Consumo per capita:Consumo per capita:1 t / hab. / ano1 t / hab. / ano

FabricaFabricaçção do cimento:ão do cimento:1 t de CO1 t de CO22 / t/ t

(1,5 bilhões t / ano)(1,5 bilhões t / ano)

Cimento Cimento éé responsresponsáável por vel por 7 % da emissão de CO7 % da emissão de CO2 2 na atmosferana atmosfera

ADIADIÇÇÕES MINERAISÕES MINERAIS

Impacto ambiental: poluição terrestre, aérea e de aqüíferos.

Produção anual atual:• Cinza volante: 600 milhões de ton.• Escória: 300 milhões de ton.• Cinza de casca de arroz: 20 milhões de ton.• Sílica ativa: 2 milhões de ton.

Papel dialético das adições minerais: de resíduo poluidor a produto cimentício para aumentar o desempenho do concreto

CAD COM ADICAD COM ADIÇÇÕES MINERAISÕES MINERAIS

+ Resíduos

- Energia

+ Reciclagem

- Mat. prima

+ Reuso

- Desperdício

+ Redução

- Poluição

ADIADIÇÇÕES MINERAIS EM CAD: ÕES MINERAIS EM CAD: 11ºº ESTUDO DE CASOESTUDO DE CASO

•• Referência: 100 % de cimentoReferência: 100 % de cimento

•• Cinza volante: 12,5, 25 e 50 %Cinza volante: 12,5, 25 e 50 %

•• Cinza de casca de arroz, 12,5, 25 e 50%Cinza de casca de arroz, 12,5, 25 e 50%

•• Filler calcFiller calcáário : 12,5, 25 e e 50%rio : 12,5, 25 e e 50%

•• CV + CCA: (12,5 + 12,5) e (25 + 25) %CV + CCA: (12,5 + 12,5) e (25 + 25) %

ESTUDO DE ESTUDO DE DURABILIDADURABILIDA

DEDE

CONSUMO DE CIMENTO REAL E CONSUMO DE CIMENTO REAL E EQUIV ALENTEEQUIV ALENTE

CONSUMO DE ENERGIA DO CONSUMO DE ENERGIA DO AGLOMERANTEAGLOMERANTE

INDICES DE INDICES DE DURABILIDADEDURABILIDADE

Case Study 2:Case Study 2:Concrete mixturesConcrete mixtures

•• Reference mixture with 100% PCReference mixture with 100% PC

•• Pozzolanic mixtures replacing PC in mass:Pozzolanic mixtures replacing PC in mass:

Fly ash (FA): 25%, 50%;Fly ash (FA): 25%, 50%;

Silica fume (SF): 10%, 20%;Silica fume (SF): 10%, 20%;

Rice husk ash (RHA): 25%, 50Rice husk ash (RHA): 25%, 50

FA + SF: (15 + 10)%, (30 + 20)%FA + SF: (15 + 10)%, (30 + 20)%

FA + RHA: (10 + 15)%, (20 + 30)%FA + RHA: (10 + 15)%, (20 + 30)%

Test resultsTest results

0

0

6

6

2

4

4

4

2

2

6

8

10

12

14

16SF10

SF20

FA25

RHA25

FA+SF(15+10)

FA+RHA(15+10)

FA50

RHA50

FA+SF(30+20)

FA+RHA(20+30)

REF

0,35

0,35

0,35

0,35

0,35

0,35

0,35

0,35

0,35

0,35

0,35

0,45

0,45

0,45

0,45

0,45

0,45

0,45

0,45

0,45

0,45

0,45

0,55

0,55

0,55

0,55

0,55

0,55

0,55

0,55

0,55

0,55

0,55

CH

- %

kacc

/ kn

at

k m

m .

year

o

u m

m .

wee

kc

-

w/cmw/cmReferenceReference Pozz Pozz ≤≤ 25%25% Pozz = 50%Pozz = 50% 50% / <25%50% / <25%

Acc.Acc. Nat.Nat. Acc.Acc. Nat.Nat. AccAcc.. Nat.Nat. Acc.Acc. Nat.Nat.

0.350.35 -- -- 0.200.20 0.460.46 4.744.74 1.731.73 23.7x23.7x 3.8x3.8x

0.450.45 0.100.10 0.010.01 1.121.12 1.291.29 15.0615.06 4.804.80 13.4x13.4x 3.7x3.7x

0.550.55 2.632.63 0.850.85 6.376.37 4.044.04 42.4142.41 9.349.34 6.7x6.7x 2.3x2.3x

Var.Var. 31.9x31.9x 8.8x8.8x 8.9x8.9x 5.4x5.4x

Mean values of accelerated (mm.weekMean values of accelerated (mm.week0.50.5) ) and natural (mm.yearand natural (mm.year0.50.5) ) carbonation coefficientscarbonation coefficients

Means values of remaining Means values of remaining calcium hydroxidecalcium hydroxide

w/cmw/cm REFREF Pozz Pozz ≤≤25%25%

Pozz = Pozz = 50%50%

25% / 25% / 50%50%

0.350.35 4.94.9 3.03.0 0.80.8 3.8 x3.8 x

0.450.45 5.45.4 3.53.5 0.90.9 3.9 x3.9 x

0.550.55 5.95.9 4.24.2 1.51.5 2.8 x2.8 x

Means Means 5.45.4 3.63.6 1.11.1

70

70

60

60

50

50

REF

0,1

0,1

0,01

0,01

1

1

10

10

50

50

ln kc mm.year 0,5

ln kc mm.week0,5

fc = 70 Mpa

fc = 70 Mpa

Mpa

Mpa

at 182 daysat 182 days

at 182 daysat 182 days

TraTraççosos•• Referência (Referência (100% CP100% CP--V) V) RR•• 70%E + 20%CV + 10%CP70%E + 20%CV + 10%CP--V V EVEV•• 70%E + 20%CV + 10%CP70%E + 20%CV + 10%CP--V + 20% V + 20% CalCal EVCEVC

RelaRelaçções a/ag:ões a/ag:R: 0.40, 0.60 e 0.80 R: 0.40, 0.60 e 0.80 R4, R6 e R8R4, R6 e R8EV: 0.30, 0.40 e 0.50 EV: 0.30, 0.40 e 0.50 EV3, EV4 e EV5EV3, EV4 e EV5EVC: 0.30, 0.40 e 0.50 EVC: 0.30, 0.40 e 0.50 EVC3, EVC4 e EVC5EVC3, EVC4 e EVC5

Profundidade das Camadas:Profundidade das Camadas:0 0 –– 1.0cm 1.0cm C1C12.0 2.0 –– 3.0cm 3.0cm C2C24.5 4.5 –– 5.5cm 5.5cm C3C3

Repor o CH não formado pela substituição do cimento e devido ao

consumo nas reações pozolânicas.

CAD com 90% de adiCAD com 90% de adiçções minerais e cal: ões minerais e cal: 33ºº estudo de casoestudo de caso

ANANÁÁLISE DOS RESULTADOSLISE DOS RESULTADOS

RESISTÊNCIA RESISTÊNCIA ÀÀ COMPRESSÃOCOMPRESSÃO

R4 R5 R6 R8 E3 E4 E5 EC3 EC4 EC5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

RESI

STÊ

NCIA

À C

OM

PRES

SÃO

(Mpa

)RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO

fc 28 (Mpa)fc 91 (Mpa)fc 182 (Mpa)fc 300 (Mpa)

Eficiência da CalEficiência da Cal

28 dias: 28 dias: 40%40%91 dias: 91 dias: 16%16%

182 dias: 182 dias: 12%12%300 dias: 300 dias: 5%5%

131124

106100100

165

119 123115

105

116

100105

99110

0

20

40

60

80

100

120

140

160

EV3 EV4 EV5 EVC3 EVC4 EVC5

Índi

ce d

e E

ficiê

ncia

da

Cal

(%)

28 91 182 300

Porosidade TotalPorosidade Total

50MPa

0,10

22

0,08

66 0,09

66

0,06

46

0,06

46

0,06

68

0,08

60

0,06

89

0,08

48

0,08

01 0,09

60

0,09

44

0,06

46

0,05

35

0,05

08

0,04

60

0,06

03

0,05

46

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

C1 C2 C3 C1 C2 C3 C1 C2 C3 C1 C2 C3 C1 C2 C3 C1 C2 C3

R EV EVC R EV EVC

91dias 300dias

Volu

me

Tota

l Int

rudi

do d

e H

g (m

l/g)

84

67

85 8378

95 94 92

63 63

52

63

5045

6559

53

100

Traço

Camadas

fc = 50MPafc = 50MPa

91 dias91 dias 300 dias300 diasC1: C1: EV EV ↓↓VTIVTI

C3: C3: R R ↓↓VTIVTI

Cal Cal ↑↑VTIVTI

C1: C1: R, EV R, EV ↓↓VTIVTI

C3: C3: EV EV ↓↓VTIVTI

50MPa - 91 dias

0,034753%

0,013514%0,0078

8%

0,052561%

0,057668%

0,00495%

0,00718%

0,00536%

0,00294%

0,019329%

0,036341%

0,043042%

0,026230%

0,018422%

0,047060%

0,048850%

0,029836% 0,0059

6%

0,015023%

0,036141%

0,051450%

0,00789% 0,0089

10%

0,028235%

0,040842%

0,060863%

0,085590%

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,10

0,11

C1 C2 C3 C1 C2 C3 C1 C2 C3

R EV EVC

Volu

me

Tota

l Int

rudi

do d

e H

g (m

l/g)

Φ>50nm 10<Φ<50nm Φ<10nm

'

DistribuiDistribuiçção dos Porosão dos Poros

C1:C1: R, EVC R, EVC ↑↑Micro Micro ↓↓MacroMacro

C3:C3: EVC EVC ↑↑Micro Micro ↓↓MacroMacro

fc=50MPa fc=50MPa –– 91dias91dias

Diâmetro CrDiâmetro Crííticotico

21

50

259277

128

40

9

270

36

9 12

40

200

62

9

146

19 90

50

100

150

200

250

300

C1 C2 C3 C1 C2 C3 C1 C2 C3 C1 C2 C3 C1 C2 C3 C1 C2 C3

R4 EV4 EVC4 R4 EV4 EVC4

91 dias 300 dias

φ cr

ítico

(nm

)

Traço

Camadas

a/ag = 0.40a/ag = 0.40

C1:C1: R R ↓↓ ΦΦcrcríítt

C3:C3: EVC EVC ↓↓ ΦΦcrcríítt

↑↑ Refinamento dos PorosRefinamento dos Poros

ÁÁgu

a C

ombi

nad

agu

a C

ombi

nad

a50M Pa

3,263,00 2,87

1,121,32 1,39

2,20 2,332,56

4,79

4,273,93

4,755,00

5,22 5,42 5,51

6,05

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

C1 C2 C3 C1 C2 C3 C1 C2 C3 C1 C2 C3 C1 C2 C3 C1 C2 C3

R EV EVC R EV EVC

91dias 300dias

Águ

a C

ombi

nada

(%)

Traço

Camada

fc = 50MPafc = 50MPa

91 dias:91 dias: R R ↑↑ ACAC300 dias:300 dias: EV, EVC EV, EVC ↑↑ ACACCal:Cal: ↑↑ AC AC 91 e 300 dias91 e 300 dias

AtivaAtivaçção da Escão da Escóóriaria

CH CH ReaReaçções Pozolânicasões Pozolânicas

AbsorAbsorçção de ão de áágua gua Reserva de Umidade Reserva de Umidade

MEVMEV42 MPa42 MPa

AbsorAbsorççãoãocapilar capilar

91 x 300 91 x 300 diasdias

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

R4 R5 R6 R8 EV3 EV4 EV5 EVC3 EVC4 EVC5

ABS

OR

ÇÃO

CA

PILA

R (g

/m²)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

R4 R5 R6 R8 EV3 EV4 EV5 EVC3 EVC4 EVC5

ABSO

RÇÃ

O C

AP

ILA

R (g

/m²) 91 dias91 dias91 dias91 dias

300 dias300 dias

CoeficienteCoeficientede difusãode difusão

de de ááguagua

0

1

2

3

4

5

6

7

8

R4 R5 R6 R8 EV3 EV4 EV5 EVC3 EVC4 EVC5

DIFU

SÃO

DE

AGU

A (x

10-9

m/s

2 )

CAMADA 1CAMADA 2CAMADA 3

0

1

2

3

4

5

6

7

8

R4 R5 R6 R8 EV3 EV4 EV5 EVC3 EVC4 EVC5

DIF

USÃ

O D

E AG

UA

(x10

-9 m

/s2 )

CAMADA 1CAMADA 2CAMADA 3

91 dias91 dias

300 dias300 dias

CarbonataCarbonataççãão aceleradao acelerada

CAMADA 1 - 91 DIAS

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 1 2 3 4Tempo - (semana0,5)

Prof

undi

dade

car

bona

tada

(mm

) R4

R6

R8

EV3

EV4

EV5

EVC3

EVC4

EVC5

CAMADA 1 - 300 DIAS

0

10

20

30

40

50

60

70

0 1 2 3 4Tempo - (semana0,5)

Prof

undi

dade

car

bona

tada

(mm

) R4

R6

R8

EV3

EV4

EV5

EVC3

EVC4

EVC5

Desenvolvimento dos coeficientes de carbonatação com o tempo em igualdade de Resistência 50 MPa

y = 0,0217x - 0,198 y = -0,0042x + 5,0042

y = 0,0184x + 5,4164

y = 0,0223x + 4,3229

y = 0,0189x + 5,1892

y = -0,0052x + 5,2535

y = -0,0076x + 5,6473

y = 0,0209x - 0,2563

y = 0,0217x - 0,2303

0,0000

2,0000

4,0000

6,0000

8,0000

10,0000

12,0000

0 90 180 270 360

Idade dos Ensaios

-0,5 R_C1

R_C2

R_C3

EV_C1

EV_C2

EV_C3

EVC_C1EVC_C2EVC_C3

Coeficiente de carbonataCoeficiente de carbonataçção emão emigualdade de resistência = 50 igualdade de resistência = 50

MPaMPa

91 dias 300 dias*C1 C2 C3 C1 C2 C3

Coeficiente carbon. mm.sem-0,5 6,17 5,55 5,36 4,044,04

--35%35%4,074,07--27%27%

3,983,98--26%26%

Volume total de Hg Intrudido cm³ 0,0976 0,0963 0,0946 0,06030,0603

--38%38%0,05720,0572--41%41%

0,05200,0520--45%45%

Φ crítico nm 270 36 9 146146

--46%46%1919

--47%47%99

0%0%Água combinada % 2,23 2,34 2,56 5,365,36

+140%+140%5,425,42

+232%+232%5,895,89

+230%+230%C-S-H / DRX Counts 140 167 155 172172

+23%+23%226226

+35%+35%201201

+30%+30%CH remanescente% 2,10 3,20 6,30 2,752,75

+30%+30%3,503,50+9%+9%

6,456,45+2%+2%

pH 12,73 12,80 13,11 12,6012,60--1%1%

12,5912,59--2%2%

12,6212,62--4%4%

Coeficiente de carbonataCoeficiente de carbonataçção ão –– a/ag = 0,40a/ag = 0,40

CH CH -- % 91 dias% 91 dias CH CH -- % 300 dias% 300 diasC1C1 C2C2 C3C3 ΔΔ3131 -- %% C1C1 C2C2 C3C3 ΔΔ3131 -- %%

RREVEVEVCEVC

4,094,092,992,993,183,18

3,293,293,093,094,184,18

2,812,813,623,626,856,85

--31,331,321,121,1115,0115,0

3,693,691,861,863,053,05

3,743,742,272,274,034,03

3,943,942,852,856,406,40

6,86,853,253,2210,0210,0

EV/REV/REVC/REVC/REVC/EVEVC/EV

0,730,730,780,781,061,06

0,940,941,271,271,351,35

1,291,292,442,441,891,89

0,500,500,830,831,641,64

0,610,611,081,081,781,78

0,720,721,621,622,252,25

Teores de hidrTeores de hidróóxido de cxido de cáálcio remanescentelcio remanescenteigualdade de resistência = 50 MPaigualdade de resistência = 50 MPa

0 10 20

C1 C2 C330 40 50 60 70 80

EVC

EV

RNAT.

ACEL.

1

1

3

3

91 d.

300 d.

Profundidade - mm

Profundidades carbonatadas para fc = 50 MPaProfundidades carbonatadas para fc = 50 MPa

20 30 40 50 60 70

250

500

750

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

Resistência à compressão - MPa

Pene

traç

ão d

e C

lore

tos

- Cou

lom

b C= -128,9.fc + 10512R91

R300

r = 0,982

C= -112,2.fc + 9156r = 0,962

EVC300

EVC91EV91

EV300

C= -1,947.fc + 391r = 0,302

C= -4,201.fc + 553r = 0,732

C= -3,080.fc + 6643r = 0,982

C= -4,874.fc + 668r = 0,772

PenetraPenetraçção de cloretos x ão de cloretos x ResistênciaResistência

20 30 40 50 60 70

0,100

0,200

0,300

Resistência à compressão - MPa

Teor

de

clor

etos

retid

os -

% R91R300

EVC300 EVC91

EV91

EV300

C = -1,993.10 Cl - 0,253-3

r = 0,502

C = -4,34.10 Cl + 0,365-3

r = 0,672

C = -2,269.10 Cl + 0,237-5

r = 0,722

C = -2,990.10 Cl + 0,297-3

r = 0,562

C = -3,152.10 Cl + 0,333-3

r = 0,872

C = -3,00 .10 Cl + 0,321-3

r = 0,922

Teor de cloretos xTeor de cloretos xResistênciaResistência

0,0 2,5 5,0

1

0

2

3

Profundidade - mm

Rel

ação

Cl/

OH

--

EV300

EV91

R. CRÍT.

EVC91

R300

R91

EVC300

RelaRelaçção iônica Clão iônica Cl--/OH/OH--

para fc = 50 MPapara fc = 50 MPa

Estudo de sustentabilidade: 4º estudo

de caso •• Concreto de referência: 100% CPConcreto de referência: 100% CP•• Cinza volante: 50%Cinza volante: 50%•• EscEscóória de alto forno: 70%ria de alto forno: 70%•• EscEscóória + cinza volante: 70% + 20%ria + cinza volante: 70% + 20%•• Ensaios de durabilidade: carbonataEnsaios de durabilidade: carbonataçção, ão,

penetrapenetraçção de cloretos, teor de cloretos ão de cloretos, teor de cloretos retidos e relaretidos e relaçção Clão Cl--/OH/OH--

•• AnAnáálise dos resultados para 40 e 55 MPalise dos resultados para 40 e 55 MPa

Custo dos materiais US$/m³

Índices de durabilidade

ffcc

MPaMPa TraTraççooCarboCarbo--

natanataççãoãoPenetPenet

ClCl--ClCl--

retidoretidoClCl--/ / OHOH--

Indice Indice mméédiodio

4040 REFREF90ECV90ECV

1001009090

1001001414

1001007878

1001008181

1001006666

5555 REFREF90ECV90ECV

22227070

83831313

1001007171

1001006363

50503939

Diferenças entre os traços REF e 90 ECV

ffcc

MPaMPaCimentoCimento

kg/mkg/m³³CustoCusto

US$/mUS$/m³³EnergiaEnergiaMJ/mMJ/m³³

COCO22eqeqkg/mkg/m³³

Durab.Durab.ííndicendice

4040 222222(83%)(83%)

3,483,48(5%)(5%)

11401140(58%)(58%)

370370(81%)(81%)

3434(34%)(34%)

5050 338338(85%)(85%)

4,044,04(5%)(5%)

17531753(65%)(65%)

523523(83%)(83%)

1414(21%)(21%)

Ganhos potenciaisGanhos potenciais

•• Se 3,5 % (230 MmSe 3,5 % (230 Mm³³, 2005) da PM de concreto fosse , 2005) da PM de concreto fosse

executada com o traexecutada com o traçço 90ECV, os ganhos seriam:o 90ECV, os ganhos seriam:

78 Mt de cimento (4,4%) = acr78 Mt de cimento (4,4%) = acrééscimo anual da PMscimo anual da PM

120 Mt de CO120 Mt de CO2eq 2eq (0,5% da P.M)(0,5% da P.M)

0,40 EJ (0,08% PM) = 5,3 Mhab (Dinamarca)0,40 EJ (0,08% PM) = 5,3 Mhab (Dinamarca)

US$ 1,53 bilhões de lucro (9% s/REF)US$ 1,53 bilhões de lucro (9% s/REF)

Conclusão•• Pelos estudos de caso concluiPelos estudos de caso conclui--se que:se que:•• Os ganhos de durabilidade, de custo e de Os ganhos de durabilidade, de custo e de

sustentabilidade são proporcionais ao teor sustentabilidade são proporcionais ao teor de substituide substituiçção do CP por adião do CP por adiçções minerais;ões minerais;

•• Concretos de alta resistência (CAD) são mais Concretos de alta resistência (CAD) são mais sustentsustentááveis e econômicos que os de veis e econômicos que os de resistência normal;resistência normal;

•• Existe viabilidade de substituirExiste viabilidade de substituir--se atse atéé 90% do90% do cimento por adicimento por adiçções minerais, com adiões minerais, com adiçção deão de cal hidratada, sem prejucal hidratada, sem prejuíízo da durabilidade.zo da durabilidade.