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XVIII SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS
FOZ DO IGUAQU
ABRIL 1989
ESTUDO DA POSSIBILIDADE DO USO DE CIMENTO PORTLAND DE ALTO
FORNO EM OBRAS DE GRANDE PORTE
1'IiMA I
Paulo Jose Ribeiro de Oliveira
F 15V i o More i i•;i Sal I es
Miguel Normando Abdalla Saad
Companhia Energ6tica de Sao Paulo
749
I
1. INTRODUCAO
0 desenvolvimento da siderurgia no Pais trouxe Para a
industria cimenteira uma alternativa de produto que vem ganhan
do proporcoes e novos adeptos no mercado : o cimento de alto for
no. Para as empresas , produzir este tipo de cimento - composto
de subproduto industrial, acarreta em baixo custo, desde que as
fgbricas estejam localizadas em regioes pr6ximas as sideru-rgi
cas ou tenham facilidade de transporte da esc6ria destas, para
suas instalacoes industriais.
A diferensa bgsica na producao dos Portland Comum e Al
to Forno esta na moagem, quando e introduzida a escoria granula
da de alto forno, resultando para uma mesma quantidade do produ
to final, menores gastos das materias primas cimenticias. Dal
o interesse maior em produzi-lo, poupando em praticamente 50 %
as jazidas de calcgrio.
Encontram-se em Sao Paulo, Minas Gerais e Rio de Janei
ro, estados onde estao localizadas as grandes siderurgicas do
Pais, os fabricantes do Cimento Portland de Alto Forno.
Diante disto, julgou-se pertinente desenvolver um pro
grama de estudos, com este cimento, para conhecer suas caracte
risticas fisico-quimicas, verificar sua eficiencia no combate a
reacao glcali-agregado e avaliar algumas propriedades mecanicas,
elgsticas e termicas de concretos, com vistas a uma possivel
aplicacao em grandes obras.
2. C I MENTO DE ALTO FORNO
0 Cimento Portland de Alto Forno e definido pela NBR-
5735 da ABNT como aglomerante hidraulico obtido pela moagem de
clinquer portland e esc6ria granulada de alto forno, em teores
compreendidos entre 25 % e 65 % da massa total, com adicao even
tual do sulfeto de cglcio.
2.1. ESCORIA GRANULADA DE ALTO FORNO
A reducao do minerio de ferro em ferro-gusa a processa
da pelas siderurgicas em alto forno. Resultantes dos fenomenos
fisico-quimicos, que se dio durante a passagem deste material
pelo alto forno, permanecem no cadinho em estado liquido, o fer
ro fundido e a esc6ria, que por apresentar menor densidade flu
tua sobre este.
751
Retirada a nata em estado de fusao e submetida a um es
friamento brusco, realizado tao rapido quanto possivel , permite
obter - se um material vitrificado com textura granular - arenosa
que e a chamada esc6ria granulada de alto forno. Nela estao pre
sentes componentes de baixo conteudo de cal-silicato bicalcico
e silico -aluminatos de calcio, corn potencial hidraulico em es
tado latente . A constituicao da esc6ria de alto forno a simi
lar a do clinquer Portland , como mostra a figura 1 . A hidrauli
cidade da esc6ria de alto forno no depende somente de sua com
posicao quimica , mas a indispensavel que ela esteja o mais pos
sivel em estado vitreo.
A esc6ria granulada de alto forno por si s6 no pode
ser considerada como aglomerante hidraulico , pois reage muitolentamente com a agua. No entanto , esta reagao pode ser acele
rada em presenga de hidrato de calcio Ca(OH )2, agente cataliza
dor liberado pelo clinquer Portland em presenca de agua.
Um dos aspectos que faz da esc6ria de alto forno um ma
terial de grande interesse para a producao do cimento esta na
uniformidade de sua composicao quimica . Existe uma correlacao
entre as condicoes 6timas de funcionamento do alto forno e a
composicao quimica da escoria, sua temperatura , viscosidade e
capacidade de desulfurizacao do ferro-gusa. Isto faz com que
as siderurgicas exercam um controle rigoroso sobre os elementos
constituintes da esc6ria , resultando um produto com composicao
praticamente constante , eliminando assim, a possibilidade de
ocorrer componentes pre.judiciais a seu emprego como mate-ria pri
ma na fabricacao do Cimento Portland de Alto Forno.
3. PROGRAMA DE ESTUDO
Elaborou - se um programa de estudo objetivando conhecer
as caracteristicas do cimento de Alto Forno, com diversos teo
res de esc6ria e verificar seu efeito em presenca de agregado
potencialmente reativo com alcalis ; por fim avaliar algumas pro
priedades mecanicas , elasticas e termicas de concretos com dife
rentes diametros maximos, compostos com Cimento Portland de Al
to Forno produzido comercialmente . Adotou- se como elemento de
referencia , composicoes de cimento e pozolana , tradicionalmente
empregadas em obras de barragens.
752
3.1. ESTUDO DO CIMENTO
Tomou- se amostras de clinquer de duas procedencias, di
ferenciadas pelos teores de alcalis.
Com cada uma delas produziu-se no Laboratorio um cimen
to de referencia, clinquer e gesso, moido por um periodo sufici
ente para atingir a finura do 3 500 + 200 cm2/g no Permeabilime
tro Blaine.
0 cimento de Alto Forno foi obtido em duas series de
moagens: na primeira, cimentos produzidos com diferentes porcen
tagens de esc6ria granulada, em relaoao ao peso total, moidos
por um periodo igual ao da moagem do cimento de referencia, e
na segunda, moidos com as mesmas porcentagens de escoria da an
terior, ate atingirem uma finura semelhante a do cimento-referen
cia.
Para estas moagens do cimento de Alto Forno, realizadas
a quente (115°C) em moinho de ferro, foram adotados teores de
esc6ria que atendessem as limitacoes da NBR-5735. Ainda, para
efeito comparativo utilizou-se 1S o de substituigdo, teor nor
malmente admitido em Cimento Portland Comum tipo CP-32.
Com os cimentos assim obtidos fez-se analises fisico-
quimicas, de acordo com a metodologia empregada pelo LCEC, con
tida na referencia (1). Seus resultados sao apresentados nas
figuras 3 e 4.
Julgou-se do interesse verificar a performance deste ti
po de cimento no combate a reacao alcali-agregado. Para tanto,
moldou-se barras de argamassa de cimento de Alto Forno, com os
diferentes teores de escoria, e pirex - silica reativa. A figu
ra 5 mostra os resultados de expansao das barras com o tempo
e ainda, a titulo ilustrativo, o comportamento em situacao iden
tica, de barra de cimento CP-32, pozolana e pirex.
3.2. ESTUDO DE CONCRETOS
Cumpriu-se um programa de estudos com concretos estrutu
rais e massivos, com diferentes diametros maximos de agregados.
Estabeleceu-se como objetivo avaliar alguns parametros mecani
cos, elasticos e termicos de misturas de concretos com Portland
de Alto Forno e compara-los com os de concretos semelhantes,com
postos de Portland Comum e pozolana - aglomerantes largamente
empregados em obras de grande porte.
Empregou-se basalto britado como agregado graudo e com
753
posicoes de areia natural e pedrisco, proveniente de britagem
do basalto, como miudo. A caracterizacao desses materais a mos
trada na figura 6.
Os cimentos Portland Comum e de Alto Forno, bem Como a
pozolana , aplicados nos concretos , sao produzidos comercialmen
te. Apresenta-se na figura 7 as analises fisico-quimicas des
tes produtos.
As composicoes dos concretos foram feitas de acordo com
o metodo empregado pelo LCEC (1). Nos concretos em que se uti
lizou cimento e pozolana, este ultimo foi aplicado nos teores
de 20 % para concretos com diametro maximo de ate 38 mm e 30 %
para os demais, em volume s6lido.
Na figura 8 apresenta-se a composicao dos concretos, caracteristicas em estado fresco c resultados dos testes realiza
dos. Nas figuras 9 a 12 sao mostrados os resultados de resis
tencia a tracao na flexao de vigas, submetidas a carregamento
rapido, e capacidade de alongamento dos concretos nas idades de
7, 28 e 90 dias; na figura 13, as curvas de elevacao adiabatica
de temperatura dos concretos massivos.
Os testes foram executados segundo os metodos de ensai
os do LCEC, citados na referencia (1).
4. COMENTARIOS
Com relacao a composicao quimica da esc6ria granulada
de Alto Forno, observa-se elevado teor de 6xido de magnesio, se
comparado com o especificado para cimento Portland. No Portland,
o excesso de magnesia provoca expansao, principalmente se se
apresenta na forma de cristais (periclase) acumulados em deter
minados pontos , cuja hidratagdo e aumento de volume geram esfor
cos concentrados . No entanto, o fenomeno a inibido quando a
magnesia se encontra dissolvida na esc6ria.
Os cimentos Alto Forno apresentam baixo calor de hidra
tacao e um tempo de pega maior , em relacao ao Portland Comum.
Sabe-se que em presenga d'agua os cimentos com escoria produzem
duas reacoes distintas: uma que consiste na hidratacao do clin
quer Portland, que por dissociacao produz certa proporcao de hi
drato de calcio, e a segunda, que consiste na hidratacao da
esc6ria granulada, ativada pela presenca do hidrato de calcio
precipitado. 0 desenvolvimento desta segunda reacao a lento,
em comparacao ao da primeira £3).
754
0 calor de hidratacao do cimento AF a funcao da composi
cao quimica da esc6ria. Apresenta-se na figura 2, como exemplo
ilustrativo, as curvas de evolucao do calorde hidratacao dos ci
mentos AF, CP e CP com 20 % e 40 % de pozolana.
A respeito dos resultados do estudo de cimentos com es
c6ria, produzidos no Laborat6rio, faz-se as seguintes considera
toes:
- As exigencias da NBR 5735 foram atendidas na analise
ffsico- quimica dos cimentos. 0 teor de enxofre nao foi deter
minado.
- Nas moagens com 60 % de esc6ria , por um perfodo igual
ao do cimento-referencia, resultou um produto nao homogenio e
com finura inferior a minima especificada para o tipo 25. No
entanto, estes cimentos apresentaram uma evolugao de resisten
cia a compressao satisfat6ria para idades mais avangadas, acima
de 90 dias, atingindo valores superiores ao cimento comum.
- Nas finuras analisadas, os cimentos apresentaram bai
xa retracao por secagem e aumento da redugao da expansao de ar
gamassa, com a elevagdo dos teores de esc6ria.
- Atraves de analise dos graficos de reatividade poten
cial com pirex pode-se avaliar a eficiencia do cimento de Alto
Forno no combate a reagao alcali-agregado. Observa-se que para
os casos estudados, apenas os cimentos com 60 % de esc6ria mos
traram-se eficientes.
Para verificagdo de algumas propriedades mecanicas,elas
ticas e termicas de concretos com cimento Alto Forno, estabele
ceu-se como elemento comparative os resultados apresentados por
composicoes com caracteristicas semelhantes, de concretos com
cimento Portland Comum mais pozolana.
Uma maneira de expressar a potencialidade dos concretos
e apresentar a "eficiencia das dosagens", definida como sendo o
quociente da resistencia a compressao do concreto pelo consumo
de aglomerantes. A figura 14 mostra os resultados obtidos pa
ra este estudo.
5. CONCLUSAO
0 principal prop6sito deste trabalho a dar conhecimento
a tecnicos de Concreto da performance do cimento Alto Forno,que
755
vem assumindo proporcoes de destaque no mercado cimenticio do
Pais, de forma a trazer a discussao sua aplicacao em grandes
obras.
Em concreto massa, por exemplo, ondea resistencia nas
primeiras idades a menos importante que o calor gerado na es
trutura, o emprego do cimento Alto Forno pode ser recomendado,
como mostram os resultados aqui apresentados.
6. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao corpo tecnico do Laborat6rio
Central de Engenharia Civil, pelo empenho na compilacao dos da
dos e apresentacao deste trabalho.
7. BIBLIOGRAFIA
1. LABORATORIO CENTRAL DE ENGENHARIA CIVIL - CESP
"Metodos de Ensaios - Vol. I a IV".
2. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS
"Annual Book of ASTM Standards" - 1983
3. CZERNIN, WOLFGANG
"La Quimica del CEMENTO"
4. PAPADAKIS, MICHEL y VERMATE, MICHEL
"Fabricacion , Caracteristicas y Aplicaciones de los Di
versos Tipos de Cemento".
S. LABORATORIO CENTRAL DE ENGENHARIA CIVIL - COMPANHIA ENER
GETICA DE SAO PAULO
Relat6rios Tecnicos nos C-18/80; C-40/80; C-35/81; C-13/
82; C-21/82.
756
RESUMO
Este trabalho mostra os resultados de um programa de
estudos com cimento de Alto Forno, desenvolvido pelo LCEC - La
boratorio Central de Engenharia Civil da CESP, objetivando co
nhecer suas caracteristicas fisico-quimicas, verificar sua efi
ciencia no combate a reagdo alcali-agregado e avaliar algumas
propriedades mecanicas, elasticas e termicas de concretos, com
vistas a possivel aplicacao deste cimento em grandes obras.
757
MATERIAL
ELEMENTO
ESCORIA DE
ALTO FORNOCLINQUER A CLINQUER B
PERDA AO FOG 0,72 1,48 0,72
Si 02 33, 73 21,36 21,98
INSOLUVEIS 0,53 0,06 0,10
f:^2 03 0 26 3,92 3,32
AL203 1 2, 26 4088 3 , 98
Co 0 (0/0) 44, 29 64 , 12 64 , 96Mg 0 7,15 1,72 2,82
S 03 0,20 1,83 0,97Na20 0 ,15 0, 12 0,12
K20 0,71 0,71 1,21
CAL LIVRE 0,00 0, 20 0,92
FIG. I - COMPOST;AO QUIMICA
I100•
0t4U.Q
cr50-0
w0
cr
3QL) 25
0 6 12 24 48 72 96
HORAS120
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DIAS DIAS DIAS DIAS DIAS DIAS
CP -19 3 . 77 4,30 4,55 108 148 461
AF- 19 2 , 61 4,53 5,83 116 445 164
0 40 80 120 460 200 240
DEFORMACAO ESPECIFICA E x 40 6
IDADE 7 DIASA IDADE 28 DIAS
4 0 80 120 160 200 0 40 80 1 0 160 200
DEFORMACAO ESPEC(FICA C x I0 6 DEFORMACAO ESPEC(FICA E x 10 6
IDADE 90 DIAS
FIG. 9 - TRAgAO NA FLEXAO - CAPACIDADE DE ALONGAMENTO
CONCRETOS 49 mm
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IDADE 7 DIAS I MADE 28 DIAS
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DEFORMACAO ESPEC(FICA ( Ex 10-6) DEFORMAcAO ESPECIFICA ( E x 10-6)
IDADE 90 DIAS
I
MODULO DE RUPTURAN ,
DEFORMA;AO ESPECIF.
TRACO(MPa) (Ex106)
7 28 90 7 28 90
DIAS DIAS DIAS DIAS DIAS DIAS
CP-38 3,22 3,83 4,16 111 442 158
AF-38 2,4 4 3, 80 5,43 1 17 439 150
50 400 450 200
DEFORMAcXO ESPECIFICA ( C x 40-s )
y M
FIG. 40-TRAcAO NA FLEXAO - CAPACIDADE DE ALONGAMENTO
CONCRETOS 38 mm
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IDADE 7 DIAS
U-
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0 25 50 75 100
DEFORMACAO ESPECIFICA ( E x 10-6)
IDADE 90 DIAS
50 100 150 200
DEFORMAcAO ESPECIFICA (E x i0_6 )
0
IDADE 28 DIAS
DEFORMAgAO ESPECIFICA( Ex 10-6
25 50 75 100
MODULO DERUPTURA DEFORMAC^AOESPECIF.
M P 0 ) (E x 10-6 )TRAGO
7 28 90 7 28 90
DIAS DIAS DIAS DIAS DIAS DIAS
CP-64 1,11 2,00 2, 25 66 74 96
AF- 64 4,3 4 2,45 3,02 62 76 400
FIG. II - TRAqAO NA FLEXAO - CAPACIDADE DE ALONGAMENTO
CONCRETOS 64 mm
767
0
AF-100
ii CP-100
/r
50 100 150 200
DEFORMACAO ESPECIFICA ( E x 10-6 )
MODULO DERUPTURA DEFORMACAO ESPECIF
A(MPo) ( £x10-6)
TR CO7 28 90 7 28 90
DIAS DIAS DIAS DIAS DIAS DIAS
CP-100 0,90 1,57 1,87 63 72 80
AF-400 0,83 1,78 2,45 54 85 96
25 50 75 100DEFORMAC,AiO ESPECIFICA ( Ex 10-')
20 60 100 140 180
DEFORMACAO ESPECIFICA ( C x 10- 6 )
FIG. 12 - TRACAO NA FLEXAO - CAPACIDADE DE ALONGAMENTO
CONCRETOS 400 mm
768
50- CP-64
AF_64_
20
l'I
48 96 144 192 240 288 336HORAS
0 2 4 6 8 10 42 14 15
IDADE - DIAS
336
b 2 4 6 8IDADE - DIAS
40 12 14 45
TRACO CP 64 AF64 CP100 AF100
0 MAXIMO ( mm) 64 64 100 100
A/C 0,650 0,650 0,750 0,750
CALOR DE HIDRATACAO 7 DIAS 73 66 73 66
CAL/g 28 DIAS 82 79 82 79
TEMPERATURA INICIAL °C 25,7 24,2 27,0 25,5
TEMPERATURA EOUILIBRIO °C 49,8 45 ,3 45,0 43,7
EVOLUCAO (TI -TE) °C 24,4 21,1 48,0 18,2
FIG.13 ELEVACAO ADIABL\TICA DE TEMPERATURA
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