Uso da argila expandida e sílica ativa no melhoramento dos desempenhos mecânicos, físicos e térmicos de concretos leves estruturais

Use of expanded clay and silica fume for the improvement of mechanical, physical and thermal performances of structural lightweight concretes

RESUMO

Neste estudo realizou-se uma investigação para a confecção de concretos com alta resistência, baixa densidade e excelente desempenho térmico, com a finalidade de executar construções energeticamente eficientes. Concretos leves estruturais foram estudados utilizando duas granulometrias de argila expandida (C₀₅ e C₁₅), onde houve a substituição do agregado graúdo pela em 0, 25, 50, 75 e 100%. Para promover a manutenção da consistência e resistência, utilizaram-se superplastificante e sílica ativa nas misturas. Com base na metodologia utilizada, os concretos foram caracterizados física e mecanicamente, de acordo com as normas nacionais e internacionais vigentes. A densidade dos concretos, no estado endurecido, variou de 1.787 a 2.400 kg/m³ e, quanto a resistência à compressão, variou-se de 26 a 53 MPa, aos 7 dias de idade. O ensaio de condutividade térmica, por meio do método da placa quente protegida, foi realizado de acordo com a EN 12667, onde observou-se uma variação de 0,61 a 1,00 W/mK. Informações microestruturais da zona de transição interfacial entre agregado e matriz de cimento foram obtidas com a finalidade de analisar a relação com a resistência mecânica. A investigação revelou que, com a adição de argila expandida (C₀₅ e C₁₅) e sílica ativa nos concretos, houve a redução da densidade e da resistência mecânica, entretanto as características térmicas melhoram.

Palavras-chave:
materiais alternativos; concreto leve estrutural; densidade; resistência mecânica; condutividade térmica

ABSTRACT

In this study an investigation was carried out for the execution of concretes with high strength, low density and excellent thermal properties, in order to execute energy-efficient constructions. Structural Lightweight Concretes were studied using two different granulometries of expanded clay (C₀₅ and C₁₅), where the coarse aggregate was replaced by 0, 25, 50, 75 and 100%. To promote the maintenance of consistency and resistance, superplasticizer and silica fume were used in the mixtures. Based on the methodology used, the concretes were physically and mechanically characterized, in accordance with current national and international standards. The density of the concretes, in the hardened state, ranged from 1,787 to 2,400 kg/m³ and, for compressive strength, ranged from 26 to 53 MPa at 7 days of age. The thermal conductivity test, using the protected hot plate method, was performed according to EN 12667, where was observed a variation of 0.61 to 1.00 W/mK. Microstructural information of the interfacial transition zone between aggregate and cement matrix were obtained with the purpose of analyzing the relationship with mechanical resistance. The investigation revealed that, with the addition of expanded clay (C₀₅ and C₁₅) and silica fume in the concretes, there was reduction of the density and the mechanical resistance, while the thermal characteristics improved.

Keywords:
alternative materials; structural lightweight concrete; density; mechanical strength; thermal conductivity

1. INTRODUÇÃO

Usualmente os concretos leves são diferenciados dos convencionais devido à redução significativa da massa específica, entretanto essa não é a única característica que justifica atenção especial a este material, uma vez que as resistências mecânicas e o desempenho termo acústico são fortemente alterados a partir do uso de agregados leves nas misturas cimentícias, conforme observado por Díaz et al. [¹].

Os concretos leves podem ser obtidos pela substituição parcial ou total dos agregados convencionais e, segundo o ACI 213R-87 [²] deve apresentar massa específica seca entre 1400 a 2000 kg/m³, característica que influencia diretamente as estruturas, principalmente a fundação, das grandes construções. Rossignolo [³] reforça, ainda, que o uso de concretos leves acarreta numa maior produtividade em construções pré-fabricadas, pois o transporte das peças se torna mais rápido, reduzindo o custo final da construção.

Em decorrência da redução da massa específica, as resistências mecânicas dos concretos com agregados leves são comprometidas. Entretanto, Bogas et al. [⁴] argumentam que este problema pode ser minimizado por meio da utilização de agregados com menores dimensões, aliando-se, ainda, a verificação do teor ótimo entre o proporcionamento de diferentes granulometrias. Ademais, Golewski et al. [⁵] averiguaram que concretos leves que utilizam adições minerais na sua composição, como a sílica ativa, apresentam zona de transição interfacial (ZTI) menores, melhorando os valores das resistências mecânicas, podendo ser utilizados para fins estruturais.

Quanto ao conforto térmico, uma das grandes vantagens que o concreto leve possui sobre o concreto convencional é a redução da absorção e a transferência do calor proveniente da radiação solar, promovendo, segundo Sacht [⁶], maior conforto térmico. No estudo realizado por Granja e Labaki [⁷], foi observado que painéis mais leves tendem a adiantar sensivelmente o pico de carga térmica para dentro do cômodo em relação a painéis de massa mais elevada, ou seja, há um comportamento distinto em relação à onda térmica a partir da diferença de massa específica que cada tipo de concreto apresenta.

Frente ao exposto, esta pesquisa teve como objetivo produzir um concreto com propriedades físicas e mecânicas especiais a partir do uso de duas granulometrias de argila expandida como agregado leve. Os ensaios de resistência à compressão, massa específica, absorção de água e índice de vazios foram realizados com a finalidade de caracterizar os concretos como sendo leves estruturais. Ademais, executou-se uma análise do comportamento térmico das misturas desenvolvidas por intermédio do método da placa quente protegida (“Hot Plate”). Por fim, analisou-se a zona de transição interfacial matriz-agregado para um melhor entendimento dos comportamentos físicos e mecânicos dos concretos convencionais e leves.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

Foram produzidos concretos leves, os quais foram submetidos a ensaios nos estados fresco e endurecido. No processo de moldagem das misturas foram utilizados cimento Portland CPV ARI, sílica ativa, agregado miúdo de origem quartzosa, agregado graúdo de origem basáltica, argilas expandidas de diferentes granulometrias (C₀₅ e C₁₅) e superplastificante com base química de éter policarboxílico.

2.1 Ensaios para a caracterização física dos agregados

Para caracterizar os materiais realizaram-se os ensaios de massa específica e unitária. A determinação da massa específica da argila expandida C₀₅ e agregado miúdo de origem quartzosa foram realizadas conforme as prescrições da ABNT NBR 52:2009 [⁸] enquanto, para o cimento, sílica ativa e superplastificante utilizou-se as recomendações da ABNT NBR 23:2001 [⁹] e, para a argila expandida C₁₅, a ABNT NBR 53:2009 [¹⁰].

A determinação de massa unitária dos agregados miúdos e graúdos foi determinada conforme ABNT NBR 45:2006 [¹¹]. A composição granulométrica dos agregados leves foi determinada de acordo com a ABNT NBR 248:2003 [¹²] e, suas respectivas classificações, conforme a ABNT NBR 7211:2009 [¹³]. Os resultados obtidos estão dispostos na Tabela 1.

Tabela 1:
Caracterização física dos materiais

MATERIAL	MASSA ESPECÍFICA (g/cm3 )	MASSA UNITÁRIA (g/cm3 )	DIMENSÃO MÁXIMA CARACTERÍSTICA (mm)	MÓDULO DE FINURA
Cimento	3,07	1,03	-	-
Sílica	2,21	-	-	-
Agregado miúdo	2,64	1,56	1,20	1,64
Agregado graúdo	2,90	1,51	9,50	5,31
C05	1,52	0,85	4,80	3,10
C15	1,15	0,62	9,50	5,50
Superplastificante	1,19	-	-	-

2.2 Dosagem dos concretos

As dosagens utilizadas seguiram as recomendações da ACI 213R-03 [¹⁴] e dos estudos de Rossignolo [³]. O teor de sílica ativa foi de 10%, em relação à massa de cimento, a relação água/cimento foi de 0,40 e teor de argamassa de 65%, para todas as misturas. Fixaram-se, também, as porcentagens do agregado miúdo natural e C₀₅, para efeito de comparação entre os traços desenvolvidos. Portanto, variaram-se as porcentagens de agregado graúdo natural e argila expandida C₁₅. A Tabela 2 apresenta os traços das misturas de concreto.

Tabela 2 :
Dosagem dos concretos.

TRAÇO	PROPORCIONAMENTO (EM MASSA)
	Cimento	Sílica	Agregado miúdo	C05	Agregado graúdo	C15	SPA
T1	1	0,1	1,28	0,23	1,60	0	0,04
T2					1,19	0,18	0,04
T3					0,80	0,37	0,02
T4					0,40	0,55	0,02
T5					0	0,75	0,02

2.3 Produção dos concretos

Inicialmente, devido à alta absorção de água pelos agregados leves, de forma a compensar esse efeito, fez-se um umedecimento dos mesmos por 24 horas, antes de serem utilizados na produção dos concretos. Após a realização deste processo, houve a separação e pesagem dos materiais utilizados na fabricação dos concretos. No momento da fabricação das peças, o índice de temperatura apresentou uma média de 25ºC (+/- 2ºC) e teor de umidade em torno de 60%, mostrando-se adequados.

O processo de mistura do traço T1, em betoneira de eixo inclinado previamente umedecida, ocorreu da seguinte forma: a) primeiramente introduziu-se o agregado graúdo, em seguida, a água proveniente da rede pública; b) logo após, o cimento Portland de alta resistência inicial foi introduzido, seguido da areia e da argila expandida nacional C_05; c) em seguida, a sílica ativa foi incluída na mistura, havendo mistura por 5 minutos; d) por último introduziu-se o superplastificante, ocorrendo nova mistura por 3 minutos.

O processo de mistura dos materiais dos traços T2 - T5 ocorreu de forma análoga ao utilizado para a confecção do T1, sendo, a argila expandida C₁₅, introduzida juntamente com o agregado graúdo convencional. Após o término do processo de amassamento dos concretos, foi observado que a mistura cimentícia apresentou-se coesa, sem serem observados os fenômenos de segregação e exsudação entre os materiais.

Foi realizado o ensaio de abatimento do tronco de cone, segundo as prescrições da ABNT NBR 67:1998 [¹⁵], por meio do qual pode-se verificar a consistência e plasticidade do concreto e, assim, efetuar a moldagem dos corpos-de-prova cilíndricos de 100 mm de diâmetro e 200 mm de altura, além das placas de concreto com 300,5 mm x 300,5 mm de largura e 45 mm de altura.

Adotou-se como processo de adensamento a vibração por imersão, para os corpos-de-prova cilíndricos, com a finalidade de evitar a formação de vazios. Para as placas optou-se pelo adensamento em mesa vibratória para que houvesse total preenchimento das fôrmas.

Após 24 horas, os corpos-de-prova foram desmoldados, e, em seguida, submetidos ao processo de cura úmida, onde a temperatura foi de 23ºC (+/- 2ºC) e umidade relativa do ar acima de 95%. Os corpos-de-prova permaneceram em cura até a data da realização dos ensaios, 7 ou 28 dias após a moldagem, de acordo com as prescrições da ABNT NBR 5738:2008 [¹⁶].

2.4 Ensaios no estado endurecido

A Tabela 3 apresenta os procedimentos normatizados utilizados na avaliação das propriedades dos concretos.

Tabela 3:
Ensaios normativos dos concretos no estado endurecido.

ITEM	NORMA
Massa específica, índice de vazios e absorção de água por imersão	ABNT NBR 9778:2009 [17]
Resistência à compressão	ABNT NBR 5739:2007 [18]
Condutividade térmica	EN 12667 [19]
Análise microestrutural	-

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

3.1 Resistência à compressão e massa específica

A resistência à compressão dos concretos foi determinada utilizando-se corpos-de-prova cilíndricos, com 100 mm de diâmetro e 200 mm de altura, nas idades de 7 e 28 dias. Para cada dosagem e idade, foram moldados 4 corpos-de-prova. A massa específica no estado seco foi determinada aos 28 dias de idade, utilizando-se corpos-de-prova com 100 mm de diâmetro e 200 mm de altura. Foram moldados 3 corpos-de-prova para cada traço. Os valores obtidos nestes ensaios são apresentados na Tabela 4.

Tabela 4:
Resistência à compressão e massa específica dos concretos.

TRAÇO	RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO (MPa)			MASSA ESPECÍFICA (kg/m3 )
	Média aos 7 dias	Desvio padrão	Média aos 28 dias	Desvio padrão	Média	Desvio padrão
T1	53	1,3	63	1,8	2400	15,3
T2	40	1,6	42	2,0	2205	15,7
T3	35	1,2	40	2,0	2033	16,1
T4	29	1,4	37	1,2	1902	10,5
T5	26	1,4	32	2,2	1687	10,0

Os valores da resistência à compressão dos concretos apresentaram uma redução, média, de 17% aos 7 dias e de 15% aos 28 dias de idade, conforme o aumento da argila expandida C₁₅ nas misturas. Comparando o concreto com agregado convencional (T1) com o concreto com 100% de agregado leve (T5), houve uma redução de 30% da massa específica. A Figura 1 apresenta a relação entre a resistência à compressão aos 28 dias e a massa específica dos concretos.

Figura 1:
Relação entre resistência à compressão aos 28 dias e massa específica dos concretos leves.

Nos resultados apresentados na Tabela 4, observa-se que os valores da resistência à compressão dos concretos leves foram semelhantes entre as idades de 7 e 28 dias, indicando, assim, que aos 7 dias os concretos leves apresentam estabilização dos valores dessa propriedade. Segundo Rossignolo [³] e Bektas et al. [²⁰], considera-se a estabilização dos valores de resistência à compressão aos 7 dias de idade uma característica dos concretos com agregados leves, pois, normalmente, aos 7 dias de idade, os valores da resistência à compressão da matriz de cimento ultrapassam os valores da resistência à compressão do agregado, principalmente com a utilização de cimento de alta resistência inicial, ou seja, a resistência final do concreto não se beneficia na mesma proporção com o aumento da resistência à compressão da matriz de cimento.

Durante a realização das análises experimentais, observou-se que as rupturas dos concretos leves submetidos à compressão foram mais frágeis com o aumento dos valores da resistência à compressão. Quando o concreto com massa específica normal é submetido à tensão de compressão, a propagação das fissuras normalmente ocorre na matriz de cimento ou na interface agregado-matriz, pois, geralmente, o agregado mostra-se mais resistente do que a matriz de cimento, absorvendo uma considerável quantidade de energia. Segundo Moravia [²¹] e Malaiskiene et al. [²²], nos concretos com agregados leves, tipicamente menos resistentes que a matriz de cimento, a propagação das fissuras ocorre, normalmente, nos agregados, ocasionando um acúmulo de tensões na matriz de cimento, provocando, assim, uma ruptura brusca do concreto.

Entende-se, também, que a manutenção desta propriedade ocorre devido ao uso de adições minerais, como a sílica ativa, utilizada na fabricação das peças de concreto desta pesquisa. Segundo Borja [²³], este fato, torna a mistura do concreto mais estável, aumentando, assim, a sua resistência mecânica, consequentemente a sua durabilidade.

3.2 Absorção de água e índice de vazios

A absorção de água e o índice de vazios foram determinados aos 28 dias de idade, utilizando-se corpos-de-prova com 100 mm de diâmetro e 200 mm de altura. Foram moldados 3 corpos-de-prova para cada traço. Os valores obtidos nestes ensaios são apresentados na Tabela 5.

Tabela 5:
Absorção de água por imersão e índice de vazios dos concretos.

TRAÇO	ABSORÇÃO DE ÁGUA (%)		ÍNDICE DE VAZIOS (%)
	Média	Desvio padrão	Média	Desvio padrão
T1	4,02	0,2	8,83	0,3
T2	6,40	0,2	11,32	0,3
T3	7,06	0,1	11,68	0,2
T4	8,22	0,3	13,07	0,2
T5	9,15	0,3	13,37	0,4

Os valores médios de absorção de água e índice de vazios dos concretos foram de 7% e 11,65%, respectivamente, valores muito próximos aos observados nos concretos com agregados tradicionais, fato também observado por Angelin et al. [²⁴], Bogas et al. [⁴] e Golewski et al. [⁵], demonstrando, assim, que não há aumento significativo do índice de permeabilidade dos concretos com a utilização dos agregados leves.

3.3 Condutividade térmica

A determinação da condutividade térmica foi realizada nas misturas com 28 dias de idade, utilizando-se corpos-de-prova com 300,5 mm x 300,5 mm de largura e 45 mm de altura. Foram moldadas 6 placas de concreto para cada traço. A Tabela 6 apresenta os valores da condutividade e resistência térmica obtidos, enquanto a Figura 2 apresenta a relação entre a condutividade térmica e a massa específica dos concretos.

Tabela 6 :
Condutividade e resistência térmica dos concretos.

TRAÇO	CONDUTIVIDADE TÉRMICA (W/mK)	RESISTÊNCIA TÉRMICA (m2 K/W)
T1	1,00	0,045
T2	0,77	0,058
T3	0,73	0,062
T4	0,72	0,063
T5	0,61	0,074

Figura 2:
Relação entre a condutividade térmica e a massa específica dos concretos.

De acordo com a ABNT NBR 15220:2005 [²⁵], os valores de condutividade e resistência térmica, para todas as misturas, estão de acordo com os valores máximos prescritos.

Observou-se um aumento da condutividade térmica com o aumento da massa específica, ou seja, o conforto térmico é diretamente influenciado pelo peso próprio do elemento, neste caso, tem relação direta com a presença da argila expandida nas misturas (Granja e Labaki [⁷], Lamberts [²⁶], Sacht [⁶], Andiç-Çakir et al. [²⁷]).

3.4 Microestrutura - Análise da zona de transição interfacial (ZTI)

A técnica de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) foi utilizada para análise da interface entre a matriz de cimento e o agregado dos concretos, com e sem argila expandida, para efeito de comparação da ZTI. As amostras foram provenientes de pequenos fragmentos dos corpos-de-prova dos concretos. As Figuras de 3 e 4 apresentam os perfis analisados.

Figura 3:
MEV do perfil do concreto com argila expandida.

Figura 4:
MEV do perfil do concreto com basalto.

Observou-se que a espessura da zona de transição dos concretos com agregados leves foi expressivamente inferior aos dos concretos com basalto. Esse efeito está relacionado, principalmente, com a maior absorção de água dos agregados leves, em comparação ao basalto, reduzindo, assim, a quantidade de água na superfície desse tipo de agregado, com consequente redução de espessura da ZTI.

Diversos pesquisadores, como Rossignolo [³], Borja [²³] e Golewski et al. [⁵], afirmam que há uma forte relação entre a espessura e qualidade da ZTI e as propriedades relacionadas a durabilidade dos concretos. A zona de transição influencia diretamente as propriedades relacionadas à resistência mecânica e o módulo de elasticidade, consequentemente alterando o mecanismo de propagação de fissuras e a permeabilidade dos concretos.

A utilização de sílica ativa, devido a sua atividade pozolânica, na composição dos concretos leves estruturais desta pesquisa, além de evitar o fenômeno de segregação, também auxiliaram na redução da espessura da zona de transição, fato também observado por Heikal et al. [²⁸], Mohammed et al. [²⁹] e Duan et al. [³⁰], que ressaltam, ainda, que as adições minerais proporcionam um arranjamento mais denso das partículas microcristalinas presentes nos concretos, aumentando, assim, a resistência mecânica e durabilidade.

4. CONCLUSÕES

Este trabalho apresenta um estudo sobre um tipo particular de concreto, com características e propriedades diferenciadas em função da utilização conjunta de cimento de alta resistência inicial, sílica ativa, superplastificante e agregados leves. Este concreto pode ter aplicação específica no setor da construção civil, na produção de elementos pré-fabricados, tais como painéis estruturais e de vedação.

Os concretos, para todas as dosagens estudadas, apresentaram coesão e consistência adequadas para o manuseio e moldagem, além da manutenção da trabalhabilidade.

Quanto aos valores obtidos no ensaio de massa específica, o concreto de referência (T1) apresentou 2.400 kg/m³, enquanto o concreto leve estrutural com 100% de C₁₅ (T5) apresentou valor de 1.687 kg/m³, ou seja, houve uma redução de 30%.

Observou-se que os valores da resistência à compressão dos concretos apresentaram, em média, 40 MPa, sendo que houve uma redução de 16%, conforme o aumento do agregado leve C₁₅ nas misturas.

Verificou-se que os índices obtidos no ensaio de condutividade térmica, por meio do método da placa quente protegida, nos concretos com 100% de argila expandida foram, aproximadamente, 40% menores em comparação ao concreto com agregado natural, o qual apresentou valor máximo de condutividade térmica de 1,00 W/mK.

Nos estudos microestruturais, observou-se que com a utilização conjunta do agregado leve e a sílica ativa, houve uma diminuição significativa da espessura da ZTI, em comparação aos concretos convencionais.

A partir do conjunto de informações de dosagem obtidas no programa experimental, observou-se que os concretos leves produzidos podem ser utilizados em elementos pré-moldados, devido, principalmente, à diminuição no tempo de moldagem e do peso próprio. Sugere-se, então, sua aplicação em elementos estruturais ou de vedação, como painéis de concreto e lajes aveolares, devido essencialmente à redução da massa específica e ao excelente desempenho nas propriedades mecânicas, proporcionando a fabricação de peças leves, que proporcionam maior conforto térmico sem comprometer a função estrutural.

5. AGRADECIMENTOS

À Faculdade de Tecnologia (FT/UNICAMP) e ao Instituto de Física (IF/UNICAMP) pelo suporte técnico e, às empresas CINEXPAN, SILICON e BASF pela doação dos materiais utilizados nesta pesquisa.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  2017

Histórico

• Recebido
  26 Abr 2017
• Aceito
  14 Ago 2017