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..
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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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