EFEITO DA ADIÇÃO DE PÓ FINO DE QUARTZO NA …metallum.com.br/60cbc/anais/PDF/06-017TT.pdf · 2017-04-12 · O preparo do concreto foi realizado de acordo com a norma da ABNT NBR

EFEITO DA ADIÇÃO DE PÓ FINO DE QUARTZO NA TRABALHABILIDADE,

RESISTÊNCIA E MICROESTRUTURA DO CONCRETO CONVENCIONAL

A. A. L. Pacheco¹, M. C. P. Soares¹, M. F. M. dos Santos¹, E. A. Schenkel¹, B. F.

Mendes¹, E. Fujiwara², C. K. Suzuki¹.

¹ Departamento de Engenharia de Manufatura e Materiais, Faculdade de Engenharia

Mecânica. Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Campinas, Brasil.

² Departamento de Sistemas Integrados, Faculdade de Engenharia Mecânica.

Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Campinas, Brasil.

Endereço postal completo: [email protected]

R. Mendeleiev, 200, Cidade Universitária.

CEP 13083-970, Campinas, São Paulo.

RESUMO

Este trabalho estudou a adição de pó fino de quartzo no concreto convencional.

O material foi adicionado em porcentagens de 10, 20 e 30% em relação ao peso do

cimento. Foram analisadas a trabalhabilidade, resistência à compressão aos 7 e 28

dias e microestrutura do mesmo. Realizou-se ensaios de abatimento do tronco de

cone para verificação da trabalhabilidade das misturas. Para avaliação da

resistência, foram feitos ensaios de compressão axial dos corpos-de-prova. Os

resultados indicaram redução de trabalhabilidade e estabilidade da resistência. Na

análise microestrutural através de difração de raios-X, reconheceu-se que a reação

pozolânica entre o pó fino de quartzo e o cimento não aconteceu em sua

integralidade. Para a obtenção de melhor desempenho, sugere-se a modificação das

porcentagens de adição, uso de aditivos plastificantes e realização de

procedimentos de mistura específicos.

Palavras-chave: concreto, microestrutura, quartzo, resistência, trabalhabilidade.

60º Congresso Brasileiro de Cerâmica15 a 18 de maio de 2016, Águas de Lindóia, SP

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INTRODUÇÃO

A American Society for Testing and Materials (1) define o concreto como um

material compósito que consiste de um meio aglomerante no qual estão aglutinadas

partículas de diferentes naturezas como a água, os agregados, os aglomerantes e,

opcionalmente, as adições.

Em relação à microestrutura, o concreto pode ser diferenciado em três fases: a

matriz da pasta de cimento, os agregados e a zona de transição interfacial (2).

Segundo Moranville-Regourd (3), a matriz é constituída por diferentes tipos de

compostos hidratados do cimento, dentre os quais podem ser destacados os

silicatos de cálcio hidratados, comumente escrito como C-S-H, o hidróxido de cálcio

(ou portlandita) Ca(OH)2, e a etringita, ou sulfoaluminato de cálcio hidratado.

De acordo com Gleize (4), devido às novas aplicações e demandas na

construção civil, os concretos modernos contêm cada vez mais adições minerais,

aditivos orgânicos e inorgânicos e fibras. Destacam-se ainda algumas adições

minerais, como sílica ativa, cinza volante e metacaulim, que são reconhecidas por

aumentar o desempenho do concreto na resistência e na durabilidade (5-7).

Essas adições são definidas como materiais pozolânicos: possuem pouca ou

nenhuma propriedade cimentícia, mas em uma forma finamente dividida e na

presença de água, reagem quimicamente com o hidróxido de cálcio em

temperaturas normais, formando compostos que possuem propriedades cimentícias

(8,9). A reação entre o material pozolânico silicoso e o cálcio presente no meio é

tradicionalmente chamada de reação pozolânica, e, em teoria, pode ser observada

pelo aumento de C-S-H e diminuição de portlandita na pasta (2).

Assim, este trabalho tem como objetivo o estudo de uma adição mineral

silicosa, o pó de quartzo finamente moído, no concreto convencional, buscando

avaliar suas propriedades no estado fresco, o desempenho mecânico no estado

endurecido e correlacionar os resultados à sua microestrutura.

MATERIAIS E MÉTODOS

Os materiais básicos utilizados para a produção do concreto foram cimento

Portland composto CP II-E-32 do fabricante Brennand Cimentos, areia normal do Rio

Acre como agregado miúdo e brita tipo 1 5/8” como agregado graúdo. As


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propriedades físicas, químicas e mecânicas do cimento são apresentadas na Tabela

1. Também foi feita a determinação da composição granulométrica dos agregados

utilizados (Figura 1), de acordo com as normas vigentes.

Tabela 1 - Propriedades físicas, químicas e mecânicas do cimento utilizado

Propriedades físicas e químicas

Massa específica (g/cm³) 2,95

Área específica Blaine (cm²/g) 4.359

Perda ao fogo (%) 5,76

Óxido de magnésio, MgO (%) 1,91

Trióxido de enxofre, SO3 (%) 2,53

Anidrido carbônico, CO2 (%) 4,84

Propriedades mecânicas

Resistência à compressão – 3 dias (MPa) 23,8



Figura 1 – Curvas granulométricas da areia e da brita utilizadas, respectivamente.

Como adição mineral foi utilizado pó fino de quartzo, fornecido pela empresa

Beneficiamento de Minérios Rio Claro, obtido através de moagem em moinho de

bolas a partir de areia de quartzo. O pó tem massa específica de 2,65 g/cm³, é

composto de partículas de tamanhos entre 300 nm e 10 µm (conforme observado na

Figura 3) e possui geometrias variadas e irregulares (10). O pó foi caracterizado

através da técnica de Microscopia Eletrônica de Varredura. O equipamento utilizado

na caracterização foi um microscópio Zeiss modelo EVO MA15, pertencente à


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Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas. O pó

também foi caracterizado através da difração de Raios-X, utilizando-se um

equipamento Rigaku DMax 2200, pertencente ao Laboratório de Materiais e

Dispositivos Fotônicos (LIQC), parte da Faculdade de Engenharia Mecânica da

Universidade Estadual de Campinas. Nessa caracterização, observou-se apenas a

fase de α-quartzo, sem a observação de fases amorfas significativas.

Figura 2 – Imagem de MEV do pó de quartzo.

A determinação do traço experimental do concreto foi feita com base no

método da ABCP (11), por peso. Ele consiste na fixação da relação água/cimento

(a/c) e estimação dos consumos de água, cimento, agregado graúdo e agregado

miúdo, de modo a se obter um concreto plástico de boa trabalhabilidade.

O traço obtido através do método foi verificado adequadamente através de

ensaios de resistência e trabalhabilidade, e então ajustado para 1:1,49:2,74:0,60,

representando respectivamente as proporções de cimento, areia, brita e água.

Foram determinadas também as porcentagens de 10, 20 e 30% de adição de pó de

quartzo em relação ao peso do cimento.

O preparo do concreto foi realizado de acordo com a norma da ABNT NBR

12655/2006 (12), onde primeiramente colocou-se toda a quantidade de agregado

graúdo e ¼ da quantidade de água na betoneira e misturou-se por 10 segundos,

então a quantidade de cimento completa juntamente com a adição, se aplicável, e

mais ¼ da água foram adicionados e então misturou-se por 20 segundos, e


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finalmente colocou-se o agregado miúdo e o restante da água e misturou-se até se

obter a homogeneização.

Para cada mistura foi realizada a moldagem de 6 corpos-de-prova cilíndricos

de 100 mm de diâmetro e 200 mm de altura, seguindo a norma vigente (13). Eles

foram desmoldados com 24h de cura e deixados em cura submersa até os dias dos

ensaios. O ensaio de abatimento do tronco de cone (slump test) foi realizado no

concreto fresco para a determinação da trabalhabilidade do mesmo, de acordo com

a NBR NM 67/1996 (14), a partir de uma única determinação. Para o concreto

endurecido, realizou-se ensaio de resistência à compressão axial com 7 e 28 dias de

cura, através de prensa hidráulica, na Fundação de Tecnologia do Estado do Acre.

Para o estudo da microestrutura do concreto, foi feita análise através de

difração de raios-X (DRX) utilizando o mesmo difratômetro Rigaku, modelo D-Max

2200, equipado com tubo de Cu–K-. Os parâmetros de medida usados foram: 2

variando de 4 à 70°, passo de 0,05° e tempo de 1,5 s. Os difratogramas para o

refinamento para o pico do C-S-H foram feitos de 26 à 31° com passo de 0,01° e

tempo de 5 s.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Durante o estudo experimental, no preparo do concreto com adições de 20 e

30% de pó de quartzo, foi necessário o aumento da relação água/cimento, a fim de

obter o intervalo de trabalhabilidade desejado. Os resultados do ensaio de slump e

das novas relações a/c são apresentados na Tabela 2.

Tabela 2 – Relação entre as razões a/c e os abatimentos verificados.

Mistura Relação a/c Abatimento

(mm) Nova relação

a/c Abatimento

(mm)

Referência – sem adição 0,60 70 - -

10% de adição 0,60 55 - - 20% de adição 0,60 00 0,63 70

30% de adição 0,60 00 0,65 75

Pode-se observar que para a mesma relação água/cimento, a adição de 10%

de pó de quartzo diminuiu em 15 mm o abatimento. Já as adições de 20% e 30%

reduziram o abatimento para 0 mm, necessitando a adição de mais água na mistura,

mudando então a razão a/c de 0,60 para 0,63 e 0,65, respectivamente, para a


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obtenção do mesmo intervalo de abatimento da referência. A partir desses dados é

possível afirmar que a adição de pó de quartzo diminuiu a trabalhabilidade do

concreto convencional elaborado, sendo necessário, em algumas dosagens, o

aumento da relação água/cimento para garantir sua consistência trabalhável, como

também pode ser observado em outros estudos incorporando sílica (15,16).

Pode-se inferir que esta ocorrência se dá devido ao pequeno tamanho das

partículas de pó de quartzo, e consequente maior área superficial, aumentando

então a demanda de água na mistura, semelhantemente à outras adições minerais

(17,18). Uma solução para se manter a consistência do concreto sem mudar a relação

a/c é a utilização de aditivo superplastificante, que proporciona alta fluidez à mistura

devido à sua força dispersante (19-21). O papel do aditivo em conjunto com outras

adições minerais está sendo objeto de mais estudos e será publicado futuramente.

A partir dos dados do ensaio de resistência à compressão dos corpos-de-prova

aos 7 e 28 dias de cura, foi possível a elaboração do gráfico exposto na Figura 3,

que apresenta as médias dos resultados e sua margem de erro.

Figura 3 – Resultados de resistência à compressão aos 7 e 28 dias, em MPa, de acordo com as

porcentagens de adição.

A partir do gráfico percebe-se que do concreto de referência (sem adição) para

o concreto com adição de 10% de pó de quartzo, o aumento da resistência foi de

menos de 2 MPa aos 7 dias e de 0,25 MPa aos 28 dias, valor não expressivo frente


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à margem de erro, mesmo com a utilização da mesma relação água/cimento para

essas duas dosagens. Analisando o concreto com 20% de adição, é nítida a

extensão da margem de erro deste grupo de amostras, mas é possível ver que há

um decréscimo de 1,36 MPa na média aos 7 dias e de 5,61 MPa aos 28 dias em

comparação com a referência. Por fim, no concreto com 30% de adição, a média de

resistência aos 7 dias apresentou o menor valor, 2,54 MPa abaixo da média do

concreto sem adição, enquanto aos 28 dias esse valor foi diferente em 5,18 MPa.

Analisando esses dados, é possível inferir que a adição de pó de quartzo

provocou pouco ou nenhum aumento de resistência para qualquer adição do

material. No caso das adições de 20 e 30%, houve a diminuição da resistência à

compressão, mas não é possível afirmar se isto é decorrente da maior relação a/c

(5,7), do aumento da quantidade de adição ou de uma combinação dos dois fatores.

Procurou-se, então, entender melhor os resultados obtidos através da análise

microestrutural dos corpos de prova. Assim, as 12 amostras de 28 dias de cada

corpo-de-prova foram analisadas por meio de DRX.

Para isso, alguns dos corpos de prova foram moídos utilizando um almofariz de

ágata e peneirados entre peneiras #200 e #325 (escala Tyler). Durante a preparação

de amostra, evitou-se coletar as britas, pois o interesse do estudo estava na matriz

do concreto. Os difratogramas principais para as amostras e o detalhamento para a

região do pico de C-S-H são expostos nas Figuras 4 e 5, respectivamente.

Figura 4 – Difratogramas principais das amostras com e sem adição.


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Figura 5 – Difratograma detalhado da região de pico do C-S-H.

Analisando a Figura 4, observa-se que a composição dos picos é semelhante

para todas as amostras, sendo os mais notáveis do quartzo (indicados pela letra Q),

da portlandita (indicado pela letra P) e da calcita (indicado pela letra C). Em todos os

difratogramas há a presença dos picos de portlandita, que não reduzem com a

adição mineral, implicando que não houve reação pozolânica aparente (2).

A partir do detalhamento mostrado na Figura 5, é possível notar um pequeno

pico em ~28° na amostra com 20% de adição, que é atribuído ao silicato de cálcio

hidratado (22), o que sugere que, em algumas regiões da amostra, houve a formação

de silicato de cálcio hidratado em sua forma cristalina. Também é possível observar

o aumento do pico de quartzo com o aumento das adições, mostrando que o pó de

quartzo incorporado continuou em sua forma original e não foi totalmente consumido

por meio de uma reação com o cálcio, para a formação de C-S-H.

A não-ocorrência da reação pode ser explicada pela baixa reatividade do pó de

quartzo, atribuído à sua estrutura cristalina (23), porém, Benezet e Benhassaine (24)

mostraram, em seu estudo, que mesmo formas cristalinas poderiam apresentar

alguma reatividade. Segundo os autores, o tamanho reduzido das partículas é

suficiente para explicar o aumento na reatividade. As partículas testadas por eles

possuíam diâmetros menores de 5 µm e superfície específica maior que 10.000

cm²/g. Outros estudos também fornecem evidências que corroboram com a

suposição de que a sílica, mesmo cristalina, é capaz de apresentar reatividade (25,26).


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Assim, a falta de contato entre as partículas da adição e do cimento durante a

mistura pode explicar a não-ocorrência da reação no presente estudo. Mitchell et al.

(22) e Yajun & Cahyadi (27) apresentam discussões sobre a dificuldade de dispersão

da sílica ativa e os problemas que isso pode causar, o que pode também ser

aplicado ao caso do pó de quartzo, pelo tamanho micro e nano de suas partículas.

A falta de contato entre as partículas do cimento e da adição, bem como a falta

de dispersão destas seriam causadas pela baixa energia de mistura e não uso de

superplastificante. Estas hipóteses podem ser confirmadas a partir de uma

comparação com outros estudos como os de Li (28) e Byung-Wan (29). Nesses

estudos foi utilizada a mesma relação a/c de 0,50, como também houve a adição de

superplastificantes, mas a mudança da metodologia de mistura, como alteração da

ordem de colocação dos materiais e variação das velocidades de mistura, levou ao

aumento de resistência mecânica.

CONCLUSÃO

A incorporação de adições minerais nos materiais cimentícios, em geral, resulta

em melhoras nas propriedades físicas e mecânicas do concreto, segundo a

literatura. Essa melhoria pode ser observada tanto por ensaios de resistência e

durabilidade, como por meio da mudança na microestrutura do material.

Para a realização do estudo com emprego de pó fino de quartzo no concreto

convencional, foram feitos ensaios de resistência à compressão axial sem e com

adição de 3 diferentes porcentagens de pó fino de quartzo (10, 20 e 30%), nas

idades de rompimento de 7 e 28 dias, em virtude de sua trabalhabilidade, através do

ensaio de determinação da consistência através do abatimento do tronco de cone.

Com o ensaio de consistência, foi possível perceber que adição de pó fino de

quartzo diminui a trabalhabilidade do concreto. Assim, dependendo da quantidade,

para a sua utilização no concreto faz-se necessário o aumento da relação

água/cimento da mistura ou mesmo a utilização de aditivos plastificantes.

A partir dos resultados obtidos nos ensaios de compressão axial dos corpos-

de-prova e análise dos gráficos elaborados, é possível afirmar que a dosagem que

apresentou melhor desempenho em relação aos outros traços foi aquela com adição

de 10% de pó de quartzo. Mesmo assim, seu aumento de desempenho não foi

significativo se comparado com o traço sem adição. Já as dosagens com 20 e 30%


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de adição apresentaram comportamentos inferiores, não sendo possível afirmar se

isto é decorrente da maior adição do material ou do aumento da relação a/c para as

duas misturas. Assim, pode-se sugerir que o teor de adição mineral ideal para o

concreto está próximo de 10% em relação ao peso do cimento.

Por meio de análise microestrutural através de difração de raios-X, é possível

afirmar que a reação pozolânica entre o pó fino de quartzo e o cimento não

aconteceu em sua plenitude, sendo notada apenas na amostra com 20% de adição.

Dentre os motivos que podem não ter ocasionado a completa reação, se destacam a

energia insuficiente de agitação da mistura e o não uso de superplastificante. Assim,

uma melhor mistura do concreto com pó de quartzo a partir de procedimentos

especiais poderia resolver este problema, bem como o uso de plastificante.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à CAPES, CNPq e FAPESP pelo apoio financeiro.

Agradecem também à empresa Beneficiamento de Minérios Rio Claro pela doação

do pó de quartzo e pelo apoio técnico na realização dos experimentos. Por fim, ao

Laboratório de Solos e Materiais da UFAC e à FUNTAC pela realização dos ensaios.

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ABSTRACT

This work studied the addition of fine quartz powder in conventional concrete.

The material was added in percentages of 10, 20 and 30% by cement weight. It was

analyzed the workability, compressive strength at 7 and 28 days, and the

microstructure of concrete. It was performed slump test to verification of workability of

the mixtures. To evaluate the strength, it was performed axial compressive strength

test of the samples. The results indicated decrease in workability and constancy of

the strength. In the microstructure analysis by X-ray diffraction, it was identified that

the pozzolanic reaction between quartz powder and cement was not complete. To

obtain better performance, it is suggested the modification of admixture percentages,

use of plasticizers and specific mixture procedures.

Key-words: concrete, microstructure, quartz powder, strength, workability.


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