Universidade Federal de Minas GeraisEscola de Engenharia Departamento de Engenharia de Materiais e Construo

Curso de Especializao em Construo Civil

Monografia

ATIVAO DE CIMENTO SIDERURGICO

Autor: Romrio Sales Pereira Orientadora: Adriana Guerra Gumieri

Janeiro/2010

ROMRIO SALES PEREIRA

ATIVAO DE CIMENTO SIDERURGICO

Monografia apresentada ao Curso de Especializao em Construo Civil da Escola de Engenharia UFMG

nfase: Materiais para construo civil Orientadora: Adriana Guerra Gumieri

Belo Horizonte Escola de Engenharia da UFMG 2010

SUMRIO1. INTRODUO........... .......................................................................................... ..8 1.1. Objetivos ....................................................................................................... 10 2. METODOLOGIA .................................................................................................. 11 3. REVISO BIBLIOGRFICA ................................................................................. 12 3.1. Histrico do uso do cimento siderrgico como aglomerante ......................... 12 3.2. Atividade hidrulica das escrias .................................................................. 15 3.2.1. Composio qumica ........................................................................... 16 3.2.2. Estrutura, resfriamento e grau de vitrificao da escria ..................... 17 3.2.3. A reatividade das escrias e sua relao com a composio qumica e o estado vtreo ................................................................................... 18 3.3. Mecanismo de avaliao da atividade hidralica das escrias de alto forno. 18 4. PRINCIPAIS ATIVADORES DE ESCRIA DE ALTO FORNO ............................ 20 4.1. Ativador qumico ........................................................................................... 20 4.2. Ativador fsico ............................................................................................... 21 4.3. Cimento de escria e silicatos alcalinos ....................................................... 23 4.3.1. Caractersticas das escrias ............................................................... 24 4.3.2. Composio qumica e concentrao dos ativadores ......................... 26 4.3.3. Desempenho no estado plstico ......................................................... 28 4.3.4. Desempenho no estado endurecido.................................................... 29 4.3.4.1 Resistncia mecnica ................................................................. 29 4.3.4.2 Aspectos relacionados com a durabilidade ................................. 31 4.3.4.3 Outros aspectos .......................................................................... 33 5. CONCLUSO ...................................................................................................... ..35 6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ..................................................................... ..36

LISTA DE FIGURASFigura 1 - Diagrama triangular que mostra a faixa de composio qumica das escrias em relao a outros materiais ..................................................................... 16

LISTA DE TABELASTabela 1 - Composio qumica das escrias brasileiras ........................................... 17 Tabela 2 - Ativao fsica das escrias por moagem ................................................. 21 Tabela 3 Resultados de ensaios fsicos e mecnicos de escrias ativadas fisicamente ................................................................................................................ 22 Tabela 4 - Resumo da composio qumica de ativadores encontrada na bibliografia ................................................................................................................................... 26

RESUMO

O uso de escria de alto forno como aglomerante alternativo ao cimento Portland tem sido objeto de vrios estudos no Brasil e no exterior. O estudo bibliogrfico aqui relatado mostrou que o conhecimento do poder aglomerante da escria de alto forno vem desde meados do sculo XIX (1865). A escria de alto forno comercializada no Brasil a preos inferiores a vinte dlares por tonelada. Esta diferena de preos entre o cimento Portland (cento e quarenta dlares a tonelada) e a escria, torna possvel o uso intensivo de ativadores, mesmo os de maior preo, viabilizando no Brasil tecnologias que em outros paises no seriam competitivas. Diversas publicaes abordam a funo aglomerante da escria quando misturada a substncias ativadoras (cal, hidrxido de sdio, gipsita e silicato de sdio). Pode-se dizer que o cimento Portland um caso particular de ativador da escria. Alm de representar vantagens ao meio ambiente por ser um resduo, a escria apresenta boas possibilidades de emprego, principalmente pelo baixo custo e por suas vantagens tcnicas das quais se destacam a elevada resistncia mecnica, a boa durabilidade em meios agressivos e o baixo calor de hidratao.

Palavras-chave: escria de alto forno, cimento Portland, aglomerante, ativador.

1. INTRODUOA escria de alto-forno um subproduto da produo de ferro-gusa, que consiste na transformao do xido de ferro do minrio em ferro metlico, por uma reao de reduo com carvo coque, em alto forno, a uma temperatura de 1400C. A cinza do carvo e as impurezas do minrio so escorificadas por calcrio e dolomita introduzidos no processo como fundentes. Pelo teor elevado do xido de clcio denominada escria bsica, diferenciandose da escria cida, subproduto do refino do ao. A proporo escria/ferro depende do teor de ferro no minrio, do teor de impureza do carvo e da matria prima. Para as condies nacionais a proporo de 300 kg de escria por tonelada de ferro gusa. O uso de escria de alto forno como aglomerante alternativo ao cimento Portland tem sido objeto de vrios estudos no Brasil e no exterior. Alm de representar vantagens ao meio ambiente por ser um resduo proveniente da produo do ferro gusa, a escria apresenta boas possibilidades de emprego em substituio parte do clnquer, principalmente pelo baixo custo e por suas vantagens tcnicas das quais se destacam a elevada resistncia mecnica, a boa durabilidade em meios agressivos e o baixo calor de hidratao. Segundo a NBR 5735 em seu item 3.3, conceitua escria granulada de alto forno como: Subproduto do tratamento de minrio de ferro em alto forno, obtido por resfriamento brusco, constitudo em sua maior parte de silicatos e aluminossilicatos de clcio. Sua composio qumica deve atender relao:

CaO

MgO SiO2

Al 2 O3

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Nesta definio, observa-se que, alm da exigncia relativa composio qumica, existe a exigncia de que a escria deve ser obtida pelo resfriamento brusco, o que a torna granulada, ou seja, a sua estrutura interna de natureza vtrea, haja vista que com o resfriamento repentino no h cristalizao e quando finamente moda e adequadamente ativada poder, ento, hidratar-se e endurecer, atravs da formao de cristais. Uma escria com composio qumica e grau de vitrificao adequados, quando misturados com gua poder hidratar-se e cristalizar-se, promovendo ento o 8

endurecimento do conglomerado (concretos ou argamassas), desde que seja adequadamente ativada. Para tal so necessrios dois ativadores, um de natureza fsica e outro de natureza qumica: Do ponto de vista fsico, a finura da escria, propiciar uma maior ou menor velocidade de hidratao por conferir uma maior ou menor rea de contato da escria com a gua, ou seja, quanto maior essa rea maior e mais eficiente ser a velocidade de hidratao. Do ponto de vista qumico, quando a escria entra em contato com a gua comea a dissolver-se, mas uma pelcula superficial formada rapidamente sobre os gros. Esta pelcula deficiente em Ca2+ e inibe o avano da reao de hidratao; para que a reao continue, necessrio que o pH seja mantido em valor alto (VOINOVITCH et al., 1980). No cimento Portland, a dissoluo do clnquer por ataque hidroltico (ao das molculas de gua), sendo a alcalinidade mantida pelo hidrxido de clcio e lcalis liberados. A escria pode ser ativada se houver um suprimento de ons OH-, pois sua dissoluo se d por ataque hidroxlico (ataque pelos ons OH ). Entre outras fontes de ativador podem ser citados: o hidrxido de sdio, silicato de sdio, cal hidratada, (TAYLOR, 1977; JOHN, 1995). Porm a escria de alto forno, como mostrado acima, por si s no possui o mesmo poder aglomerante que o cimento Portland, estando a o foco deste trabalho, que fazer uma reviso bibliogrfica sobre aditivos que possam ativar a escria, e resultar em caracteristicas prximas de aglomerantes de cimento Portland.-

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1.1. ObjetivosEste trabalho tem como objetivo fazer uma reviso bibliogrfica sobre aditivos que possam ativar a escria, e resultar em caracteristicas prximas de aglomerantes de cimento Portland a serem utilizados em argamassas e concretos em geral.

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2. METODOLOGIAEste manuscrito baseado em uma pesquisa de carter qualitativo em relao a utilizao de cimento siderrgico em substituio total ou parcial ao cimento portland. Foram realizadas pesquisas em literaturas cientficas, livros tcnicos, dissertaes, artigos publicados nos ltimos trinta anos. As escrias granuladas de alto-forno em contato com a gua endurece de forma extremamente lenta, limitando a aplicao comercial. A utilizao de ativadores aceleram o processo de hidratao da escria transformando em um aglomerante com grande potencial de aplicao, melhorando algumas caractersticas comparadas ao cimento Portland. Neste estudo ser analizado os tipos de ativadores e formas de ativao de escria de alto forno para utilizao em concreto e argamassa, em substituio ao cimento Portland.

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3. REVISO BIBLIOGRFICA 3.1. Histrico do uso do cimento siderrgico como aglomerantePara alguns autores, a capacidade aglomerante da escria granulada de alto forno j era conhecida antes que Aspdin registrasse sua patente do cimento Portland em 1824. MATHER (1957) afirma que em 1774 Loriot observava o poder aglomerante de escrias misturadas com cal hidratada. Para VENUAT (apud BATTAGIN & ESPER, 1988), em 1818, Vicat j considerava a possibilidade de produo de aglomerante a partir da escria (JOHN, 1995). Para outros, foi somente em 1862 ou 1863 que Emil Langen, diretor-chefe da Friedrich-Wilhelm Iron and Steelworks, em Troisdorf, Alemanha, produziu cimentos de escria pela primeira vez (GUTTMANN apud SCHRDER, 1969; SMOLCZYK, 1980), adicionando cal hidratada escria granulada (JOHN, 1995). A verificao do poder aglomerante das escrias provavelmente esteve ligada disponibilidade de escria vtrea, pois as escrias cristalinas no possuem poder aglomerante. Como a granulao da escria, responsvel por sua vitrificao, foi introduzida cerca de dez anos antes da experincia de Langer (SCHRDER, 1968) , em 1853 (SMOLCZYK, 1980), parece mais razovel supor que a verificao experimental tenha sido posterior introduo da granulao (JOHN, 1995). O primeiro registro de utilizao comercial da capacidade aglomerante da escria de 1865 (KERSTEN, 1921). Operavam na Alemanha fbricas capazes de produzir diariamente at 70 mil blocos de alvenaria, confeccionados com escria granulada moda e cal hidratada. A norma suia de materiais para a fabricao de argamassas, elaborada por TETMAJER em 1900, e aprovada em agosto de 1901 pela Associao dos Fabricantes de Cal e Cimentos e pela Sociedade Suia de Engenheiros e Arquitetos (LEDUC & CHENU, 1912 p.227), inclui os cimentos de escria obtidos da mistura desta com cal hidratada ou hidrulica. Esta norma recomendava a aplicao destes cimentos em obras expostas gua ou umidade e em concretagens submersas, desde que no fosse necessria uma resistncia mecnica elevada. Exigia que os cimentos de escria possussem finura inferior a 1% de retido na peneira de 900 malhas por cm2, mais elevada do que os 5% exigidos para o cimento Portland. Estabelecia tambm uma resistncia compresso mnima, aos 28 dias, de 80% da especificada para os cimentos Portland. 12

LEDUC & CHENU (1913) tambm apresentam os cimentos de escria, obtidos pela mistura de cal area ou hidrulica com escria de alto forno bsica e rica em alumnio. Consideram assim que a escria um tipo de pozolana artificial. SECO DE LA GARZA (1913) apresentava aos leitores de seu manual de clculo do concreto armado os cimentos de escria ao lado dos cimentos Portland e romano. Segundo este autor, a escria bsica moda recebia a adio de 15% a 30% de cal. Esta mistura era ainda submetida a mais duas moagens. Relata que na poca operava em Sestao (Bilbao, Espanha) uma fbrica deste tipo de cimento. O autor considerava que os cimentos de escria apresentavam as mesmas qualidades que os Portland e eram mais baratos, apresentando no entanto algumas desvantagens: (1) pega muito lenta (8 a 12 horas); (2) necessidade de cura permanente para evitar fissuras; (3) elevado risco de danos por congelamento; (4) risco de ataque pela gua do mar. FOERSTER (1928) descreve os cimentos de escria como produtos de uma mistura de cal hidrulica e escria granulada de alto forno. Com proporo cal: escria de 1:2, o cimento podia ser de pega rpida (10 min) ou normal (30 min). Recomendava-se que estes cimentos no fossem aplicados durante o inverno, devido ao risco de congelamento, nem sob fluxo intenso de gua, embora fossem adequados a obras hidrulicas. A resistncia do cimento de pega normal era similar do cimento Portland. WITHEY & ASTON (1939), na oitava edio revisada de um compndio sobre materiais de construo, editado desde 1897, relatam que em 1937 operavam no Alabama duas fbricas de cimento pozolnico, tendo como matrias-primas cal hidratada e escria, alm de uma pequena quantidade de hidrxido de sdio para acelerar a pega. No entanto, o efeito acelerador do hidrxido de sdio desaparecia com o envelhecimento dos cimentos. Segundo estes autores, a resistncia mecnica era menor do que a do cimento Portland, possuam baixa resistncia ao atrito e o United State Army Engineers no recomendava este tipo de cimento para superfcies expostas permanentemente ao ar porque a oxidao dos sulfetos levava a uma destruio da superfcie. FRET (1939), em reviso ampla sobre o emprego de escria, afirma que o cimento de escria misturada com clnquer Portland vinha tomando de maneira crescente o mercado dos cimentos de cal e escria. Na opinio do autor, este fato ocorria porque os primeiros apresentavam maior resistncia qumica e mecnica. Na poca, era prtica corrente a adio de carbonato de sdio, cloreto de sdio, sulfato 13

de sdio ou sulfato de clcio para acelerar o ganho de resistncia dos cimentos de escria e cal. A quantidade de informaes apresentadas sobre os cimentos de escrias ativadas com cal leva a crer que o seu emprego chegou a ser importante. Conforme este autor, o teor e a natureza da cal empregada influenciam a resistncia mecnica e qumica dos produtos hidratados, e a resistncia qumica mxima obtida pela adio de um teor de cal hidratada levemente inferior ao necessrio para a obteno da resistncia mxima. ROGERS & BLAINE apud WITHEY & ASTON (1939) estudaram em 1934, 41 cimentos de alvenaria existentes no mercado norte-americano dos quais 6 continham grande quantidade de escria. Em 1960, no momento em que no ocidente os cimentos de escria sem clnquer virtualmente desapareciam, comea-se a produzir na ex-URSS em uma planta piloto um cimento de escria ativada com compostos alcalinos, provavelmente o silicato de sdio. Quatro anos depois comea a produo em escala industrial (GLUKHOVSKY, ROSTOVSKAJA & RUMYNA, 1980). Segundo estes autores, em 1974, esta tecnologia j era empregada na Polnia; entre 1977 e 1979 foram confeccionadas as normas GOST para estes cimentos, e em 1980, j existiam fbricas produzindo cimentos com resistncias variando entre 100 a 125 MPa nas cidades de Perm, Tula, Krivoj Rog, Alma-Ata e Tashkent. Conforme VONOVITCH, RAVERDY & DRON (1981) a possibilidade de ativao de escria por silicato de sdio foi descoberta acidentalmente por A.I. JILIN, o qual observou que ao adicionar como carga a escria granulada ao silicato de sdio, este ltimo endurecia mais rapidamente, tendo sido as primeiras pesquisas desenvolvidas pelos russos OUTKIN e POUJANOV entre 1955 e 1960. Paradoxalmente KHOLIN & ROYAK (1960), no artigo apresentado no 4o Simpsio de Qumica do Cimento, em Washington, com o objetivo de apresentar os cimentos de escria na URSS, no fazem qualquer meno a essa tecnologia em desenvolvimento. SCHRDER (1968) ainda detecta a produo de cimentos de escria ativada com cal hidratada em um pequeno nmero de pases e em quantidades muito pequenas. Para LEA (1970) no final dos anos sessenta a utilizao dos cimentos de escria ativados com cal hidratada estava praticamente abandonada, embora em alguns pases, como a Blgica, a Frana e os Estados Unidos continuassem a constar da normalizao tcnica de cimentos de alvenaria. SMOLCZYK (1960), em ampla e consistente reviso, no faz qualquer meno a cimentos de escria sem clnquer. REGOURD (1986) discute vrias formas de 14

ativao da escria, sem no entanto citar qualquer aplicao comercial dos produtos sem clnquer. Em datas posteriores nenhuma citao de emprego comercial de um cimento de escria tampouco foi citada. Em resumo, os dados disponveis indicam que, com exceo dos cimentos ativados com lcalis produzidos no Leste Europeu, no se observa produo significativa de cimento de escria sem clnquer no resto do mundo, a partir dos anos 50. No Brasil, a pesquisa de cimentos de escria sem clnquer acontece no incio dos anos 80 com dois diferentes grupos do IPT desenvolvendo abordagens

complementares. TEZUKA, FLORINDO & SILVA (1984) apresentam os resultados do que provavelmente a primeira pesquisa de cimentos de escria sem clnquer no Brasil, realizada no IPT. Estes autores estudam as influncias da finura na resistncia mecnica, retrao e expansibilidade em escria ativada com soda custica e cal hidratada. CINCOTTO et al. (1986) e CINCOTTO (1989) apresentam os resultados de estudo de ativao de escria com cal dolomtica, clcica e residual da indstria de acetileno, em diferentes teores. Resultados de outra pesquisa do efeito do teor de cal hidratada na ativao de escria podem ser encontrados em SILVA, FLORINDO & ALMEIDA (1991). SILVA & ALMEIDA (1986) apresentam resultados da avaliao do emprego da escria bsica como agregado mido. Posteriormente foi efetuada uma pesquisa abrangente sobre a ativao da escria com cal e gipsita, visando a produo de aglomerante de baixa alcalinidade para utilizao com fibras vegetais (CINCOTTO & JOHN, 1990). Alm do IPT, a Associao Brasileira de Cimento Portland (ABCP) realizou pesquisas sistemticas na rea, visando especialmente o seu emprego como adio aos cimentos Portland. BATTAGIN & ESPER (1988) apresentam uma panormica deste emprego. BATTAGIN (1986) apresenta metodologia rpida para anlise da basicidade das escrias. SOARES (1982) investiga a possibilidade de utilizao das escrias cidas como adio ao cimento. TANGO, SILVA & JOHN (1994) apresentam um resumo dos trabalhos realizados no IPT. CINCOTTO & BATTAGIN (1992) resumem os resultados das pesquisas no Brasil.

3.2. Atividade hidrulica das escriasA atividade hidrulica da escria granulada de alto forno depende de vrios fatores, tais como: composio qumica, grau de vitrificao, resfriamento, estrutura, 15

composio mineralgica, granulometria, superfcie especifica (BOMBLED et al, 1986), microheterogeneidade e defeitos superficiais (ALEXANDRE et al 1986, DEMOILIAN,1980, TANAKA et al, 1951 TAYLOR, 1964). Os mtodos propostos (MARQUES, 1994) para a avaliao da atividade hidrulica da escria tm se baseado na anlise qumica, grau de vitrificao e estrutura. Embora seja hidrulica, a escria reage lentamente, podendo-se acelerar as reaes por meios qumicos, mecnicos e trmicos.

3.2.1. Composio qumica

Segundo (JOHN, 1995) a composio qumica das escrias est ligada qualidade do minrio de ferro, natureza do fundente, natureza do combustvel e ativador da reduo (coque ou carvo vegetal), viscosidade, etc. A anlise qumica entre os diversos mtodos utilizados para caracterizar a escria, o mais corrente. Os resultados podem ser utilizados no clculo de mdulos ou ndices ou ainda, no clculo da composio mineralgica potencial. A Figura 1, constitui-se de um diagrama triangular que mostra a faixa de composio qumica das escrias em relao a outros materiais.

SiO2 100 0 80 60 40C2S C3S

20AS4

Legenda :cimento portland escria bsica escria convertedor cimento aluminoso filler calcrio pozolanas/cinzas escria cida

40AS2

60 80C2A5

20 0 CaO+MgO 100

80

C3A

60

40 CA

20

100 0 Al 2 O3+ Fe 2 O3

Figura 1 - Diagrama triangular que mostra a faixa de composio qumica das escrias em relao a outros materiais. (MONSHI & ASGARANI, 1999)

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Segundo BATTAGIN & ESPER, (1988) as escrias brasileiras de natureza bsica, utilizadas na indstria cimenteira apresentam em mdia de 40% a 45% de CaO, 30% a 36% de SiO2, 12% a 17% de Al2O3 e 2% a 8% de MgO.

Componente (% em massa) Usiminas SiO2 35,15 Al2O3 12,79 CaO 43,58 Fe2O3 0,37 FeO 0,29 MgO 5,48 K2O 0,45 Na2O 0,13 TiO2 Mn2O3 SO3 S Fe Natureza da Escria 0,54 0,88 0,05 1,10 0,07 bsica

Cosipa 33,85 13,00 42,22 0,68 0,33 7,08 0,70 0,21 0,48 0,69 0,12 0,67 0,13 bsica

CSN 32,90 15,44 40,97 0,91 0,43 5,81 0,73 0,19 0,49 0,86 1,03 0,25 bsica

Procedncia Belgo Sete Lagoas 38,12 40,07 19,44 34,97 1,30 0,79 1,63 1,88 0,12 0,62 1,86 0,02 0,10 0,37 cida 13,65 35,07 2,53 1,44 1,95 1,94 0,19 0,21 0,64 0,08 0,74 cida

Acesita 43,97 13,21 34,89 0,40 0,22 3,67 1,86 0,12 0,16 0,85 0,02 0,07 0,21 cida

CST 35,47 13,20 41,97 0,83 5,69 0,28 0,10 0,53 0,84 0,07 0,87 bsica

Aominas 35,39 13,88 40,99 1,97 6,31 0,49 0,12 0,87 bsica

Tabela 1 Composio qumica das escrias brasileiras. (BATTAGIN & ESPER, 1988)

3.2.2. Estrutura, resfriamento e grau de vitrificao da escria

A maioria dos autores afirma que o estado no cristalino da escria uma condio estritamente necessria para a sua atividade hidrulica. Essa atividade dependente da sua estrutura, a qual por sua vez depende da composio qumica, tendo em conta inclusive os elementos secundrios e a histria trmica. (ALEXANDRE et al, 1988 ; DEMOILIAN et al, 1980; VENUAT, 1976). Escrias com a mesma composio qumica podem apresentar diferentes atividades hidrulicas conforme o processo de resfriamento utilizado. (ALEXANDRE et al, 1988; VENUAT, 1976;1977) Da mesma forma, para um determinado processo de resfriamento, conforme a composio qumica da escria, obter-se-o diferentes atividades hidrulicas. (ALEXANDRE et al, 1988; SMOLCZYK, 1980)

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A influncia da composio qumica da escria nas propriedades hidrulicas mais facilmente reconhecida que a influncia da estrutura vtrea. (ALEXANDRE et al, 1988; BATTAGIN & ESPER, 1988) Como resultado do resfriamento, podemos ter trs tipos de partculas de escria: partculas vtreas reativas; partculas vtreas contendo cristais de vrias formas, mais reativas que as vtreas puras; partculas cristalizadas, no reativas (BATTAGIN & ESPER, 1988, ALEXANDRE et al, 1988). A porcentagem tima est relacionada, em particular, com a composio qumica e o tratamento trmico da escria. Alguns autores afirmam que a vitrificao total no condio nica para a obteno de mxima reatividade (BATTAGIN & ESPER, 1988, KRAMER, 1960). Outros autores tm concludo que para obteno de maior hidraulicidade, desejvel, alm de um alto grau de vitrificao, uma alta relao CaO + MgO/SiO2 + Al2O3 (KRAMER, 1960) . 3.2.3. A reatividade das escrias e sua relao com a composio qumica e o estado vtreo.

As escrias de alto forno cristalizadas, isto , submetidas a condies lentas de resfriamento na sada do alto-forno, no apresentam propriedades hidrulica, pois correspondem a uma forma mineralgica e qumica estvel. A hidraulicidade das escrias depende principalmente da sua composio qumica (bsica) e do seu grau de vitrificao, sendo essas caractersticas utilizadas rotineiramente como mtodos de previso da hidraulicidade (BATTAGIN & ESPER, 1988) .

3.3. Mecanismo de avaliao da atividade hidralica das escrias de alto forno.

Os ensaios de resistncia mecnica so os mais seguros e definitivos no tocante verificao das propriedades hidrulicas das escrias. Em geral, o mtodo mais utilizado o mtodo comparativo de Feret, que tem por base a comparao das resistncias compresso, a diferentes idades, de argamassas obtidas de cimento constitudas de diversas misturas de cimento e escria, com os mesmos cimentos, nos quais a escria substituda por igual porcentagem de um inerte (quartzo). Os ensaios obedecem s especificaes da NBR 7215/82, ensaios de Cimento Portland, 18

sendo comparadas relativamente s resistncias aos 7, 28 e 90 dias (BATTAGIN & ESPER, 1988). Verifica-se, entretanto, que os mtodos mecnicos so demorados, fato que abre oportunidade para aplicaes de mtodos de previso, que so mais rpidos. Os mtodos de previso da hidraulicidade das escrias podem ter por base: A sua composio qumica, atravs do emprego de mdulos qumicos. Ex: No Brasil as NBR 5735/87 especifica a condio: H = (CaO + MgO + Al2O3)/SiO2 >1; A sua microestrutura, atravs da verificao do grau de vitrificao por difratometria de raio x ou microscopia ptica; A sua prpria hidratao, atravs do ensaio acelerado com soda.

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4. PRINCIPAIS ATIVADORES DE ESCRIA DE ALTO FORNOAs escrias granuladas de alto-forno apresentam propriedades hidrulicas latentes, isto , endurecem quando misturadas com gua. Contudo, as reaes de hidratao das escrias so to lentas, que limitaram a sua aplicao comercial se ativadores no acelerassem o processo de hidratao (JOHN, 1995). Os ativadores das escrias so classificados em trs tipos: ativadores qumicos, ativadores fsicos e ativadores trmicos (obtido pela elevao da temperatura para a soluo escria e gua).

4.1. Ativador qumico

O ativador tem a funo de acelerar a solvatao da escria, favorecer a formao de hidratos estveis e de uma estrutura em rede dos hidratos (GASTALDINI, 1989) . Entre os ativadores qumicos usuais, esto o hidrxido de sdio (NaOH), o hidrxido de clcio (Ca(OH)2), e os sulfatos (SO4 ) (DAIMON, 1980; REGOURD, 1976; VOINOVITCH, 1976). Atribui-se cal e aos sulfatos o papel de ativador, pois favorecem a reatividade e participam da reao, vindo a formar novos compostos com incluso desses componentes. Por outro lado, a soda considerada um catalisador, pois embora favorea a reao, no participa dela (MARQUES, 1994). Na ativao com hidrxido de sdio (soda), h a formao de silicato de clcio hidratado (C-S-H), aluminato tetraclcio hidratado (C4AH13) e aluminosilicato de clcio hidratado, gehlenita hidratada (C2ASH8). Na ativao clcica, a cal consumida durante a reao, estando presente no silicato de clcio hidratado (C-S-H), e no aluminato tetraclcio hidratado (C4AH13), ao passo que a slica se encontra exclusivamente no (C-S-H) (silicato de clcio hidratado). No h formao de gehlenita (C2ASH8) como na ativao sdico, pois este o decomposto pelo (C4AH13) (aluminato de tetraclcio hidratado), um componente muito rico em cal. A ativao sulftica conduz formao de C-S-H (silicato de clcio hidratado),2-

(C3A.3CaSO4.32H2O) (etringita) e Al(OH)3 (hidrxido de alumnio) (MARQUES, 1992).

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4.2. Ativador fsico

Os ativadores fsicos esto ligados granulometria (AGOPYAN et al, 1991; KWON et al, 1992; TANIGAWA et al, 1992; GASTALDINI, 1989; SATO et al, 1986) e temperatura, ou seja, o aumento da rea especfica e da temperatura de cura promove uma acelerao na hidratao das escrias. A tabela 8 mostra os resultados obtidos por Battagin (1986) em ensaios de resistncia compresso, obtidos a partir de cimentos experimentais com diferentes reas especficas e elaborados em condies padronizadas.

Resistncia compresso axial (MPa) Idade (dias) Cimento I (367 m /kg ) 3 7 28 90 8,3 18,8 35,5 47,52

Cimento II (414 m /kg) 10,4 22,9 37,4 49,82

Cimento III (460 m /kg) 11,5 23,3 40,6 50,32

Tabela 2 Ativao fsica das escrias por moagem (BATTAGIN, 1986)

De acordo com os resultados, observa-se que a influncia da finura da escria maior nas baixas idades (3 e 7 dias), havendo um aumento de resistncia de 39% e 24%, respectivamente do cimento I para o cimento III. Com o avano da idade, o aumento da rea especfica da escria influi mais discretamente sobre a evoluo da resistncia mecnica, podendo-se concluir que as escrias apresentam caractersticas potenciais que lhes asseguram na hidratao, uma evoluo da resistncia mecnica ao longo do tempo. A hidratao pode ser acelerada, isto , as resistncias iniciais podem ser incrementadas atravs de moagem mais fina. SATO et al (1986) executaram ensaios empregando escrias com diferentes finuras Blaine, misturadas ao cimento Portland comum em vrias propores, e os resultados constam da Tabela 3.

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Proporo Finura Amostra Material N. (m2/kg) Cimento Escria Blaine (%)

Tempos de Incio e Fim De Pega (H:Min.) JS-R-5201 Relao 3 A/C (%) Incio Fim

Resistncia Compresso axial (MPa) JIS-R-5201

7 dias

28 dias

Dias

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Cimento moda Pulverizada Escria ficada Classi Escria

500 600 600 600 800 800 800 1200 1500 370 370 370 500 600 700 800 320

60 80 60 40 80 60 40 60 60 80 60 40 60 60 60 60 100

40 20 40 60 20 40 60 40 40 20 40 60 40 40 40 40 0

30,5 29,5 31,0 35,0 29,0 32,0 36,5 33,0 35,0 28,5 28,0 30,0 29,0 29,2 29,5 29,5 28,5

3:02 3:00 2:52 3:12 2:59 2:54 3:06 2:06 1:40 3:00 3:26 4:01 3:10 2:49 2:54 2:44 2:40

4:37 4:30 4:20 4:52 3:50 3:55 4:46 2:59 2:35 3:59 4:38 5:04 4:08 3:34 3:33 3:08 3:36

11,3 14,1 12,0 10,0 17,2 13,7 12,0 18,8 21,4 11,6 10,2 6,1 11,5 12,3 12,9 13,6 12,5

20,4 25,5 21,8 21,1 28,1 25,9 24,5 33,6 37,8 20,5 17,2 13,9 20,6 23,2 23,8 26,9 22,1

53,5 50,6 59,4 49,9 48,7 58,3 53,9 55,3 48,0 39,7 40,5 38,3 48,7 51,2 51,5 49,4 39,4

Tabela 3 Resultados de ensaios fsicos e mecnicos de escrias ativadas fisicamente (SATO et al, 1986).

Obs.: Escria classificada: obtida atravs de separadores (centrfuga forada); Escria pulverizada: obtida atravs de moagem (moinho de bolas).

De acordo com os resultados obtidos, podemos observar que: a) Tempos de Pega para teores iguais de escria, os cimentos mais finos requerem maior quantidade de gua para a consistncia normal e possuem menor tempo de pega; teores maiores de escria, requerem mais gua e aumentam o tempo de pega;

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essas tendncias so vlidas para a escria classificada e a pulverizada. b) Resistncia compresso Axial comparando as resistncias das escrias, nas primeiras idades (3 e 7 dias), verificamos que o desenvolvimento das resistncias proporcional s suas finuras; aos 28 dias de idade, a resistncia da escria classificada superior da pulverizada; as resistncias mximas das escrias estudadas esto prximas da finura de 700 m /kg; a escria mais grossa (370m2/kg) possui, independentemente da porcentagem de cimento adicionado, resistncia mecnica aos 3 e 7 dias inferior s do cimento de referncia. Aos 28 dias de idade, as resistncias se equivalem. DAN et al, (1991); ESPER et al, (1988); MORIMOTO et al, (1991); TOGAWA et al., (1991) realizaram estudos de dosagem de concreto, empregando cimentos resultantes da mistura de cimento Portland comum e escria. A escria foi moda em diversas finuras blaine e misturada ao cimento Portland comum, em vrias porcentagens (os teores de escrias adicionados variaram de 0% a 100%, com intervalo mdio de 10%). Dos concretos estudados foram determinadas as propriedades: mecnicas, elsticas, caractersticas de fluncia e trmicas. Com relao aos resultados obtidos, podemos observar: Propriedades mecnicas - as resistncias, tanto compresso axial quanto trao, diminuem notadamente a partir da adio de 70% de escria, para todas as idades estudantes (2, 5, 7, 28, 90, 180 e 365 dias). Propriedades elsticas (Mdulos de Deformao) - este parmetros apresentase pouco influenciado pela porcentagem de escria. Propriedades trmicas - o emprego de escria diminui significativamente o parmetro trmico: quanto maior a porcentagem de escria, menor o calor de hidratao (temperatura adiabtica). Reao lcali-agregado - o uso da escria, em teores acima de 45%, uma tima soluo para se prevenirem s expanses provenientes da reao lcaliagregado.2

4.3. Cimento de escria e silicatos alcalinos

A reviso mais ampla sobre os cimentos de escria ativada com silicatos alcalinos de TALLING & BRANDSTETR (1989). 23

Embora a ativao com soda custica ou carbonato de sdio (Na2CO3) j seja conhecida desde 1940 (PURDON, 1940), o avano significativo no conhecimento sobre a ativao da escria foi a tecnologia de ativao por silicatos alcalinos desenvolvida no final dos anos 50 (ver captulo 2) na ex-URSS, que permitiu a elevao significativa das resistncias mecnicas obtidas. No entanto, somente no Simpsio de Paris que GLUKHOVSKY, ROSTOVSKAJA & RUMYNA (1980) apresentam os primeiros trabalhos acessveis aos ocidentais. Simultaneamente surgem os trabalhos de VONOVITCH, RAVERDY & DRON (1981). J no Congresso do Rio a reviso apresentada por REGOURD (1986) cita dois novos cimentos de escria ativados por silicatos alcalinos: o silicociment de VONOVITCH, RAVERDY & DRON e o ciment F de FROSS (1983). A partir desta data surgem novos estudos na Sucia (ANDERSSON & GRAM, 1986), Canad (DOUGLAS & BRANDSTETR, 1990), China (XUEQUAN et al, 1991), Inglaterra (RICHARDSON et all., 1994 e WANG, SCRIVENER & PRATT, 1994) entre outros. A bibliografia limitada (QUING-HUA & SARKAR, 1994) e, por envolver interesses econmicos e registros de patentes, normalmente revela apenas resultados parciais, impedindo concluses mais genricas sobre a influncia de diversos fatores no desempenho dos cimentos no estado fresco e endurecido. Somente em meados de 1994 surge a primeira publicao que apresenta alguns dados sistemticos sobre escrias ativadas com silicatos de sdio (WANG; SCRIVENER; PRATT, 1994). De maneira geral, os mecanismos de ativao dos silicatos alcalinos pouco compreendido (QUING-HUA & SARKAR, 1994).

4.3.1. Caractersticas das escrias

Conforme a bibliografia, utilizando-se silicatos alcalinos possvel ativar uma grande variedade de escrias, sendo que para TALLING & BRANDSTETR (1989) estes podem ativar qualquer escria vtrea, cuja composio qumica esteja compreendida nos limites abaixo:

0,50 0,10

C/S A/S

Alm das escrias de alto forno bsicas ou escrias cidas, tambm possvel utilizar outras escrias, como as oriundas da produo eltrotrmica de fsforo 24

(TALLING

&

BRANDSTETR,

1989;

GLUKHOVSKY,

ROSTOVSKAJA

&

RUMYNA,1980; FORSS, 1983b). A capacidade dos silicatos ativarem escrias que no so ativadas por outros produtos, como o Ca(OH)2, deve estar relacionada a uma combinao dos fatores: (1) pH mais elevado, que garante a dissoluo; (2) presena de Na2O na soluo, que afeta a solubilidade do CaO; (3) presena de SiO2 na gua de amassamento. Estes dois ltimos fatores aceleram a precipitao dos hidratados. WANG, SCRIVENER & PRATT (1994) estudaram inclusive duas escrias com relao C/S < 1. Os resultados mostram que, embora as escrias mais bsicas possibilitem a obteno de maior resistncia mecnica, mesmo escrias cidas apresentam resultados que podem ser considerados excelentes. Concluram que a composio da escria determina a composio qumica mais adequada de ativador. Para GLUKHOVSKY, ROSTOVSKAJA & RUMYNA (1980) este efeito depende do mdulo de slica do silicato de sdio. TALLING & BRANDSTETR (1989) afirmam que para ativao de escrias cidas recomendvel uma adio de Ca(OH)2, sendo preferveis escrias com Al2O3 entre 12% e 15%. Tambm afirmam que as escrias cidas produzem concreto com maior resistncia corroso qumica. Para FORSS (1983b), no caso do cimento siderrgico que possui tambm a adio de aditivos orgnicos, a finura usual est entre 400 e 500 m2/kg, embora a resistncia compresso cresa at finura Blaine de 700 m /kg. VONOVITCH, RAVERDY & DRON (1981) empregaram escrias com finuras entre 300 e 400 m 2/kg. DOUGLAS et al. (1991) empregaram escria com superfcie Blaine de 460 m2/kg. A finura da escria tambm fator importante. TALLING & BRANDSTETR (1989) recomendam finuras Blaine entre 250 e 700 m2/kg. WANG, SCRIVENER & PRATT (1994) variaram a finura das escrias entre 300 e 700 m /kg. Concluram que a finura afeta mais as resistncias nas primeiras idades. Observaram tambm que, a partir da finura 500 m2/kg aproximadamente, a resistncia compresso aos 28 dias afetada negativamente, considerando mais recomendveis finuras entre 400 e 600 m2/kg. Para uma escria bsica um incremento na finura de 300 para 500 m2/kg praticamente duplica a resistncia compresso aos 28 dias. ANDERSSON & GRAM (1986) demonstraram que para escrias com finura Blaine de 670 m2/kg o tempo de pega bastante inferior ao obtido com a finura 530 m2/kg. ANDERSSON & GRAM (1988) observaram que, para ativao com silicato de sdio com mdulo de slica igual a 0,9, a resistncia mecnica no cresce significativamente quando a finura da escria elevada de 530 para 670 m /kg. GLUKHOVSKY, 252 2 2

ROSTOVSKAJA & RUMYNA (1980) afirmam que a elevao da finura acima de 900 m2/kg no traz ganhos de resistncia significativos.

4.3.2. Composio qumica e concentrao dos ativadores

Na bibliografia consultada, a caracterizao da composio qumica do ativador feita atravs da determinao da concentrao de Na2O, do mdulo de slica e do teor de Ca(OH)2 em relao a escria ou ao aglomerante total. Algumas vezes apresentada tambm a densidade do silicato de sdio. A Tabela 4.1 resume os dados encontrados na bibliografia.

Na2O (%)

Mdulo Slica

de

Ca(OH)2 (%)

Fonte

2a7

1-2 0,5-2,5

2-5

TALLING & BLANDSTETR (1989) GLUKHOVSKY, RUMYNA (1980) ROSTOVSKAJA &

1,9-2,2

VONOVITCH, (1981)

RAVERDY

&

DRON

3,3 a 4,5

1,22-1,47

3,75-4,5

DOUGLAS DOUGLAS, (1991)

et

al

(1990 &

e

1991),

BILODEAU

MALHOTRA

0,9 a 5,4 2,8 a 5

0,9-3,5 1-1,5 (C/S>1) 0,75-1 (C/S