AVALIAÇÃO DO USO DE FINOS EM SUBSTITUIÇÃO AO … · comparação à argamassa de referência (0%). Palavras-chave: cimento, finos, calcário, nanossílica, desempenho. ... Ambos

XII SIMPÓSIO BRASILEIRO DE TECNOLOGIA

DAS ARGAMASSAS São Paulo, 22 a 24 de agosto de 2017

AVALIAÇÃO DO USO DE FINOS EM SUBSTITUIÇÃO AO CIMENTO NO DESEMPENHO MECÂNICO DE ARGAMASSAS

RHANNA BERTON (1); CARLOS HENRIQUE R. MAGRI (2); ELIANE BETÂNIA C. COSTA (3) (1) DACOC – Universidade Tecnológica Federal do Paraná – [email protected]

(2) DACOC– Universidade Tecnológica Federal do Paraná – [email protected] (3) DACOC – Universidade Tecnológica Federal do Paraná – [email protected]

RESUMO

Este trabalho teve como objetivo avaliar o efeito da substituição parcial do cimento por

finos não reativos e/reativos no desempenho de argamassas. Foram produzidas

argamassas com teores de substituição de 0%; 5%; 25%; 45% e 65% do cimento por

calcário e 2% de nanossílica, sendo essa com uso isolado e combinado com 25% de

calcário. O teor de água foi obtido pelo modelo de Powers e para minimizar a

aglomeração das partículas foi utilizado aditivo dispersante a base de policarboxilatos.

No estado fresco, as argamassas foram avaliadas pela densidade de massa, teor de ar

incorporado e espalhamento e no endurecido, pela resistência à compressão e pela

resistência de aderência à tração em argamassas aplicadas sobre substratos graníticos,

ambos aos 28 dias. Nos sistemas argamassa-substrato estudados, os resultados

mostraram que é possível obter uma resistência de aderência de 0,30 MPa com uma

substituição de até 51% do cimento por calcário. O uso de nanossílica em combinação

com 25% de fino calcário não reduziu significativamente os valores de aderência em

comparação à argamassa de referência (0%).

Palavras-chave: cimento, finos, calcário, nanossílica, desempenho.

EVALUATION OF THE USE OF FINES IN REPLACEMENT OF CEMENT ON THE MECHANICAL PERFORMANCE OF MORTARS

ABSTRACT

The aim of this study was to evaluate the effect of partial replacement of cement by

non-reactive and/or reactive fines on mortar performance. It was produced mortars

with 0%; 5%; 25%; 45% and 65% of replacement contents of cement by limestone and

by 2% of nanosilica, with this one being used alone and combined with 25% limestone.

ISSN 2446-6824

mailto:[email protected]





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The water content was obtained by the Powers’model and to minimize the

agglomeration of the particles, it was used polycarboxylate-based dispersing admixture.

Mortars were evaluated in the fresh state by the density of mass, entrained air and by

spreading and in the hardened state by the compressive strength and tensile bond

strength in mortar applied on granite substrate, both at 28 days. In the mortar-substrate

systems studied, the results showed that it is possible to obtain a bond strength of

0.30 MPa with a replacement of up to 51% cement by limestone fine. The use of

nanosilica in combination with 25% fine limestone did not significantly reduce bond

strength values compared to reference mortar (0%).

Key-words: cement, fines, limestone, nanossílica, performance.

1. INTRODUÇÃO

O cimento é um dos produtos mais consumidos no planeta, cuja produção mundial no

ano de 2014 foi de 4,3 bilhões de toneladas, o que corresponde a mais de 500 kg per

capita(1). Nesse mesmo ano, no Brasil, a produção atingiu a marca de 71,3 milhões de

toneladas(2). Até 2050, estima-se um aumento de aproximadamente 4 milhões de

toneladas por ano, principalmente nos países em desenvolvimento que carecem de

maior demanda por infraestrutura e habitação(3;4). O processo de produção do cimento

emite cerca de 1000 kg de CO2 por tonelada de clínquer moído, gerado pela

decomposição do calcário e pela queima do combustível fóssil. Para cada tonelada de

cimento produzido são necessárias 1,65 t de matéria prima e 5,5 GJ de energia(5).

A substituição do cimento por materiais alternativos é uma prática favorável a indústria,

pois proporciona materiais com custo mais baixo e menor impacto ambiental,

constituindo-se numa estratégia para mitigação do CO2. Quantidades crescentes de

substituição do cimento tornam-se cada vez mais necessárias. Na Europa, há vários tipos

de cimento com até 35% de calcário, entretanto o teor médio empregado

mundialmente ainda é inferior a 5%(6), como por exemplo, o CPV no Brasil. Como uma

alternativa para a redução de cimento, pode-se citar a substituição parcial por partículas

reativas e/ou não reativas durante a produção de argamassas e concretos.

Os materiais não reativos, tal como o carbonato de cálcio, quando utilizados têm como

principal função o efeito físico, atuando no preenchimento de vazios – denominado

“efeito fíler” – e como agentes de nucleação acelerando as reações de hidratação(7).

Estudos mostram que a substituição de 15% a 20% do cimento por carbonato de cálcio

não altera significativamente a resistência à compressão do concreto, mesmo quando

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não é feito o controle da área superficial e da distribuição granulométrica. Em teores

superiores, há uma redução das propriedades mecânicas devido ao efeito de

diluição(8- 10). Além dos efeitos físicos, as partículas reativas que apresentam

pozolanicidade, como a sílica, quando finamente moídas e na presença de umidade

reagem com o hidróxido de cálcio liberado na reação de hidratação do cimento

formando compostos com propriedades cimentícias (C-S-H)(11).

A nanossílica pode apresentar diversos tamanhos e diferentes aplicações em função do

processo de obtenção. No processo sol-gel, o pH da mistura entre os materiais que dão

origem à sílica é alterado por uma base ou ácido formando o gel da sílica. Esse gel é

filtrado e tratado de modo a produzir uma dispersão concentrada. O desempenho

dessas nanopartículas depende das condições dos reagentes, do meio da reação (básico

ou ácido) e da temperatura do tratamento térmico(12; 13). A principal diferença entre a

sílica ativa e a nanossílica é a granulometria que apresentam, visto que o tamanho típico

das partículas de sílica ativa fica entre 200 e 1000 nm, enquanto que o da nanossílica

encontra-se entre 3 e 150 nm(14).

Nili et al. avaliaram concretos com nanossílica em teores de 0%, 1,5%, 3% e 4,5%, e

concluíram que o uso de grandes quantidades da adição não é favorável ao aumento da

resistência à compressão devido a aglomeração das partículas, uma vez que o melhor

resultado foi observado no concreto com 1,5% de nanossílica em relação à massa de

cimento(15). Após ampla revisão bibliográfica, Aggarwal et al. constataram que o uso de

nanossílica em teores de até 2% proporcionam melhorias significativas nas propriedades

mecânicas das matrizes cimentícias (16).

Pesquisas têm apresentado resultados satisfatórios com o uso de misturas binárias de

calcário e sílica em pastas, em argamassas e concretos(17-19). Segundo Bentz et al. para

teores de substituição de até 40% do cimento por combinações de calcário e sílica

podem ser uma solução atraente para aplicações em grautes, argamassas colantes e

para revestimentos que não carecem de uma resistência tão elevada(19).

Ambos os tipos de partículas, reativas e não reativas, podem melhorar o desempenho

de matrizes cimentícias pela diminuição da porosidade do sistema. A incorporação de

partículas com granulometria menor ou equivalente ao cimento, cerca de 10 µm e

15 µm(20), desde que dispersas, diminui a porosidade do sistema e melhora a aderência

na interface matriz-substrato (zona de transição) pelo aumento da área de contato(21;22).

Neste sentido, o presente trabalho tem como objetivo analisar o efeito da substituição

parcial do cimento por teores de finos, reativos e/ou não reativos, com granulometria e

dispersão controlada, no desempenho mecânico da argamassa e da interface

argamassa-substrato.

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2. MATERIAIS E MÉTODOS

Para avaliação do efeito da redução do cimento no desempenho mecânico de

argamassas foram produzidas argamassas com teores de substituição de 0%; 5%; 25%;

45% e 65% do cimento por calcário e 2% de nanossílica, sendo essa com uso isolado e

combinado com 25% de calcário. A seguir, serão apresentados os materiais utilizados,

as etapas da produção, bem como os ensaios realizados.

2.1. Particulados

As argamassas foram produzidas utilizando um cimento Portland tipo CPV, massa

específica igual a 3,14 g/cm³ conforme ABNT NBR NM 23: 2001(23). Apesar de não ser

usual na produção de revestimentos argamassados, o CPV foi escolhido por apresentar

menor quantidade de adições minerais dentre os tipos disponíveis no mercado nacional;

um fino calcário (PROVALE – PROCARB 5) com massa específica igual a 2,64 g/cm³,

constituído essencialmente de carbonato de cálcio(24) e uma areia natural quartzosa com

massa específica de 2,75 g/cm³(25). A granulometria da areia foi determinada por

peneiramento mecânico, conforme ABNT NBR NM 248: 2003(26) e dos materiais finos

por difração a laser, cujos resultados estão apresentados na Figura 1.

Figura 1 – Distribuição granulométrica do cimento, calcário e areia utilizadas na produção de argamassas.

(1)Ensaio realizado em equipamento Malvern Mastersizer200, com acessório Scirocco 2000 via seca;

(2) Dados obtidos de Costa(24).

Fonte: autoria própria.

Na Figura 1 verifica-se que o calcário apresenta diâmetro médio igual a 11 µm similar ao

cimento 14 µm, porém com maior volume de partículas menores: 90% das partículas

são inferiores a 33 µm enquanto que no cimento esse valor corresponde a 42 µm.

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A nanossílica utilizada (AkzoNobel – Cembinder 30) constitui-se uma solução aquosa

coloidal, 30% de partículas sólidas de sílica amorfa, com dispersão estabilizada em meio

óxido de sódio (Na2O). De acordo com os dados do fabricante, a nanossílica utilizada

apresenta área superficial de 300 m²/g; diâmetro médio de 9 nm; pH igual a 10,5;

densidade de 1,2 g/cm3.

Para minimizar o efeito de aglomeração das partículas foi utilizado um aditivo

dispersante em pó a base de policarboxilato de éter (Melflux® 2651 F – BASF) num teor

de 0,02% em relação à massa de cimento estabelecido com base nos resultados obtidos

por Costa(24).

2.2. Substrato

Afim de avaliar o desempenho mecânico da interface, as argamassas foram aplicadas

em substratos graníticos, com porosidade de 0,88% e absorção de água nula

(0,0 g/cm².min) determinadas conforme procedimentos descritos pela ABNT NBR 9778:

2009(27) e por Reda Taha et al. (28), respectivamente. Esse substrato foi utilizado para

evitar o efeito da absorção de água na movimentação das partículas.

2.3. Produção das argamassas

As argamassas foram preparadas na proporção 1:3 (finos: areia) em massa. Foram

produzidas sete argamassas sendo essas: uma de referência constituída por cimento e

areia (0%); quatro substituindo o cimento em teores de 5%, 25%, 45% e 65% por fino

calcário; uma com substituição de 2% de cimento por nanossílica; e uma blenda com 2%

de nanossílica e 25% de fino calcário. O teor de substituição de nanossílica foi adotado

com base no levantamento bibliográfico realizado por AGGARWAL et al. (16).

A quantidade de água foi obtida com base no modelo de Powers(29), considerando a

porosidade teórica do sistema constante e igual a 21%. Esse valor foi adotado com base

nos resultados obtidos por Costa(24) para argamassas similares. A massa de água foi

calculada pela Equação 1:

𝑚á𝑔𝑢𝑎 =0,17. 𝑚𝑐. ℎ + 𝑉𝑠. 𝑝

(1 − 𝑝) (A)

em que p é o percentual da porosidade total do sistema; 𝑚𝑐 é a massa de cimento da

mistura; 𝑉𝑠 é o volume total de sólidos presente na argamassa e ℎ é o grau de hidratação

do cimento. Para este trabalho adotou-se ℎ = 1.

As argamassas foram misturadas em misturador de bancada HOBART N 50 conforme

procedimentos estabelecidos pela NBR 7215(30), com total de sólidos igual a 3 kg. O

aditivo dispersante foi inserido junto aos sólidos antes da mistura.

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Após a mistura, as argamassas foram avaliadas no estado fresco por ensaios de

densidade de massa(31), teor de ar incorporado(31) e do índice de consistência(32).

2.4. Moldagem e cura dos corpos de prova

Para avaliação da porosidade e resistência mecânica, foram moldados seis corpos de

prova cilíndricos com diâmetro igual a 50 mm e altura de 10 mm para cada tipo de

argamassa estudada. Os corpos de prova foram produzidos em quatro camadas e

adensados em mesa de queda com aplicação de 30 golpes por camada. Após o

adensamento, as superfícies dos corpos de prova foram niveladas com auxílio de

espátula. Depois de 24 h, os moldes metálicos eram retirados e as amostras imersas em

água saturada de cal por 27 dias. Os corpos de prova foram colocados em estufa numa

temperatura igual a 50ºC durante 24 h previamente a realização dos ensaios.

Os ensaios de resistência de aderência à tração foram realizados nas argamassas

aplicadas sobre substratos graníticos. Para cada situação avaliada, foram moldados

trinta corpos de prova cilíndricos de diâmetro igual a 50 mm e espessura de 20 mm. Os

corpos de prova foram moldados em camada única, aplicando-se quinze golpes com

auxílio de soquete metálico. Os corpos de prova foram submetidos à cura úmida por um

período de 28 dias, data de realização do ensaio.

2.5. Ensaios realizados

A porosidade das argamassas foi determinada pelo método de absorção de água por

imersão proposto pela ABNT NBR 9778: 2009(27) e o desempenho mecânico das

argamassas por ensaios de resistência à compressão conforme procedimentos

recomendados pela ABNT NBR 7215: 2003(30). Esse último, foi realizado em máquina de

ensaios universal – EMIC DL 3000 N NS5919.

Para determinação da resistência da interface foram realizados ensaios de resistência

de aderência à tração, conforme os procedimentos desenvolvidos por Costa(24)

adaptados da NBR 13528(33). As pastilhas foram coladas com massa de poliéster curadas

ao ar por no mínimo 2 horas. O ensaio de arrancamento foi realizado com auxílio de um

dinamômetro de tração (CONTENCO 3003 N, com velocidade controlada de 250 N/s.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Na tabela 1 estão apresentadas as propriedades das argamassas no estado fresco.

Observa-se que houve um aumento da densidade de massa em função da substituição

do cimento por finos em teores de 45% e 65% comparada a argamassa de referência

(0%), consequentemente, reduzindo o teor de ar incorporado. Esse permaneceu na faixa

de 8 a 13%. A consistência das argamassas também aumentou com o acréscimo do teor

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de substituição do cimento pelos finos. Isso ocorre devido a maior área específica das

partículas finas que proporcionam um aumento da densidade de empacotamento do

sistema. Em relação a substituição do cimento por nanossílica (N2; FN), devido ao teor

reduzido de substituição, 2% em relação à massa de cimento, não houve alteração da

consistência em relação às argamassas REF e F25, respectivamente.

Tabela 1 – Propriedades das argamassas estudadas no estado fresco.

Argamassa

Teor de substituição do cimento

(%)

Finos

adicionados

Relação a/c

Relação

a/f

Densidade de massa (kg/m³)

Teor de ar (%)

Índice de consistência

(mm)

REF 0 - 0,58 0,58 2060 11 284

F5 5 Calcário 0,61 0,58 1995 13 278

F25 25 Calcário 0,73 0,54 2087 10 272

F45 45 Calcário 0,94 0,52 2117 8 242

F65 45 Calcário 1,62 0,51 2106 9 198

N2 2 Nanossílica 0,58 0,58 1998 13 284

FN 25+2 Calcário +

Nanossilica 0,73 0,55 2057 11 275

O desempenho mecânico das argamassas e da interface argamassa-granito bem como

os resultados de eficiência do uso de ligante com base no índice de ligante (IL) proposto

por Damineli et al.(34) estão apresentados na Tabela 2.

Tabela 2 – Propriedades das argamassas estudadas no estado endurecido aos 28 dias.

Argamassa

Cc (kg/m³)

Argamassa Interface argamassa-granito

Porosidade (%)

Rc (MPa) ILRc

(kg/m³.MPa) n Rad (MPa)

ILRad (kg/m³.MPa)

REF 502,5 15,6 ± 0,5 38,4 ± 1,4 13,09 30 0,50 ± 0,11 999,4

F5 478,2 17,2 ± 0,8 37,6 ± 0,9 12,72 31 0,44 ± 0,11 1096,9

F25 380,7 17,1 ± 0,8 30,7 ± 0,8 12,40 33 0,40 ± 0,10 948,7

F45 281,7 21,2 ± 0,5 24,2 ± 1,0 11,64 29 0,36 ± 0,10 776,8

F65 156,3 21,8 ± 0,2 7,0 ± 0,5 22,32 22 0,22 ± 0,05 707,4

N2 498,3 13,4 ± 1,1 33,3 ± 1,6 14,96 29 0,49 ± 0,11 1011,6

FN 378,3 16,6 ± 2,1 28,2 ± 2,9 13,42 29 0,48 ± 0,12 795,7

Os resultados de resistência à compressão mostram que todas as argamassas estudadas

apresentaram valores bem superiores ao especificado pela classe III da NBR 13281

(ABNT, 2001) (37) devido ao elevado consumo de cimento do traço adotado. De um modo

geral, verificou-se que a resistência à compressão das argamassas diminuiu com o

aumento do teor de substituição do cimento pelas partículas finas. Os resultados

obtidos corroboram com outros pesquisadores que avaliaram a influência do teor de

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substituição do cimento por finos calcários na resistência à compressão de concretos(8-

10) e na resistência à tração por compressão diametral de argamassas(24). Essa tendência

de redução das propriedades mecânicas, quando o teor de finos não reativos, é

aumentado ocorre devido ao efeito de diluição, uma vez que a adição de finos reduz o

volume de produtos hidratados e aumenta a relação água/cimento.

De um modo geral o aumento da relação água/cimento tende a aumentar a porosidade

das matrizes cimentícias. No entanto, verificou-se que algumas argamassas, F5 e F25,

com relações a/c diferentes (0,61 e 0,73 – respectivamente) apresentaram mesmo valor

de porosidade. E, argamassas com mesma relação a/c (REF e N2; F25 e F25N2)

apresentaram porosidade diferentes. Por exemplo, o uso de 2% de nanossilica

proporcionou uma redução de 14% da porosidade em relação à argamassa de

referência. Nestes casos, a granulometria das partículas também pode ter contribuído

para a redução da porosidade do sistema, visto que houve a redução da porosidade com

o incremento de partículas finas no sistema (efeito fíler).

Houve um decréscimo da resistência de aderência à tração com o aumento da

substituição do cimento pelos finos calcários, como mostra a Figura 2. Esses resultados

estão de acordo com os resultados obtidos por Costa(24) ao analisar o efeito da

substituição de cimento por finos calcários em argamassas aplicadas em substratos

cerâmicos hidrofugados.

Figura 2 – Resistência de aderência à tração das argamassas aplicadas em substrato granítico. Todos os corpos de prova apresentaram ruptura na interface argamassa-substrato.

Fonte: autoria própria

Apesar da redução da aderência com o incremento do teor de calcário, os resultados

são extremamente satisfatórios, visto que atende os valores de resistência de aderência

à tração recomendados pela NBR 13749(35) para aplicação em revestimentos externos e

internos. No modelo estudado, é possível obter uma resistência de aderência de

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0,30 MPa com uma substituição de até 51% do cimento por calcário. Todas as

argamassas estudadas atingiram o valor mínimo recomendado de 0,20 MPa para

aplicação como revestimento interno, mesmo para teores de substituição de 65% por

fino calcário. Isso porque essas argamassas apresentam consumo de cimento da ordem

de 155 kg/m³ típico para aplicação em revestimentos.

Na tabela 2, observa-se que os índices de eficiência do uso do ligante para a resistência

à compressão, manteve-se praticamente constante até o teor de 45% de substituição,

decrescendo em média 6% para um aumento de 20% da substituição de cimento por

calcário. Este fato representa algo positivo, visto que até o teor de 45% de substituição,

menos ligante (cimento) foi necessário para obtenção de 1 MPa de resistência à

compressão. Para o teor de substituição de 65%, constatou-se que o excesso de finos

foi prejudicial para garantir a eficiência do sistema, não houve quantidade de ligante

suficiente para garantir a coesão entre as partículas(36), reduzindo à resistência à

compressão.

Ainda no que diz respeito à eficiência verificada na resistência à compressão, quando

trata-se da inserção de nanossílica, a argamassa FN (25% de calcário + 2% de nanossílica)

apresentou resultados satisfatórios, porém menos eficientes se comparados a F25. A

composição com substituição de cimento exclusivamente por nanossílica, a eficiência

do sistema foi reduzida em 14% devido à presença do material. Isto pode ter ocorrido

porque a contribuição química da nanossílica para a resistência mecânica devido as

reações pozolânicas ocorre em idades mais avançadas(11).

Em relação à resistência de aderência, verificou-se um aumento da eficiência do uso do

ligante com o acréscimo de finos calcários no sistema. A substituição de 65% do cimento

propiciou uma redução de 29% do índice de ligante para obtenção de um mesmo valor

de aderência. Isso indica que pode ser vantajoso a substituição do cimento por partículas

finas em teores de até 65%, porém deve ser verificado os limites de resistência de

aderência estabelecidos por norma para que não haja comprometimento do sistema de

revestimento. A argamassa FN apresentou maior eficiência em comparação à F25 (17%)

e menor eficiência em relação a referência, 17% e 2%, respectivamente.

4. CONCLUSÃO

Os resultados obtidos mostram que a substituição do cimento por finos tem mais

impacto para a resistência à compressão do que para a resistência de aderência à tração.

No caso da aderência, o aumento do teor de substituição do cimento pelos finos

calcários propiciou resultados satisfatórios enquanto que na resistência à compressão o

impacto foi negativo. No entanto, verificou-se que mesmo para argamassas com

consumo de cimento próximo a 155 kg/m³, obtidas com teor de substituição de 65% de

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cimento por fino calcário, apresentam valores de resistência à compressão superior a

8 MPa e resistência de aderência de 0,20 MPa conforme requisitos normativos para

aplicação em argamassas de revestimento interno. Para a aplicação da argamassa em

revestimentos externos é possível substituir até 51% do ligante pelo material garantindo

uma resistência de aderência satisfatória (consumo de cimento próximo a 190 kg/m³).

O uso combinado de 25% de calcário e 2% de nanossílica não reduziu a resistência de

aderência das argamassas aplicadas sobre os substratos graníticos apesar da redução de

aproximadamente 125 kg/m³ de cimento. Isso mostra o enorme potencial do uso de

misturas desses dois materiais para aplicação em matrizes cimentícias. Estudos

adicionais devem ser realizados para verificação do potencial de substituição do cimento

por finos calcários e nanossílica em argamassas com traços mais pobres de cimento e

com maiores proporções de agregado miúdo.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a Cimento Itambé, a AkzoNobel e ao laboratório de Microestru-

tura e Ecoeficiência da USP pela doação dos materiais utilizados na pesquisa.

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AVALIAÇÃO DO USO DE FINOS EM SUBSTITUIÇÃO AO … · comparação à argamassa de referência (0%). Palavras-chave: cimento, finos, calcário, nanossílica, desempenho. ... Ambos