2.1 Materiais utilizados

Nesta pesquisa foram utilizados como aglomerantes o cimento Portland de alta resistência inicial (CPV ARI), a sílica ativa, e o pó de vidro obtido a partir da moagem de garrafas da cor âmbar, que foi posteriormente peneirado na peneira de malha #200 (partículas menores que 75 μm). Como agregado miúdo foi utilizada areia natural quartzosa. Além disso, utilizou-se sílica moída (SM200) como fíler, aditivo superplastificante à base de policarboxilato para conferir a trabalhabilidade adequada devido à baixa relação água/aglomerante considerada e aditivo redutor de retração a fim de evitar a fissuração da matriz. As características dos materiais granulares constituintes, considerados na produção dos CCUAD, são apresentadas nas Tabelas 1, 2, 3 to 4.

Na Figura 1 está apresentada a distribuição granulométrica do cimento, sílica ativa, pó de vidro, agregado miúdo (areia quartzosa) e fíler (SM200). Observa-se um d₅₀ de 0,8μm para sílica ativa, de 7μm para o cimento, de 15μm para o pó de vidro, de 32μm para o fíler, e de 270μm para o agregado miúdo.

Figura 1 Distribuição granulométrica dos materiais granulares constituintes do CCUAD. 

2.2 Metodologia

Para a produção de todas as misturas de CCUAD foi adotada uma relação água/aglomerante fixa de 0,18. Inicialmente foram produzidos dois traços, sendo um de referência (REF), com 0% de pó de vidro, e outro com 50% de pó de vidro (VD50) em substituição volumétrica ao cimento; em ambos os traços foi considerada a incorporação de sílica ativa, no teor de 8% em relação à massa de cimento do traço de referência. Na sequência, o traço VD50 foi otimizado com base no conceito de empacotamento de partículas, aplicando-se o modelo de Alfred (Equação 1).

CPFT = Dpq-DSqDLq-DSq×10 (1)

Onde: CPFT é a porcentagem acumulada de partículas de partículas de diâmetro inferior a D_p, D_p é o diâmetro da partícula, D_L é o diâmetro da maior partícula na distribuição, D_S é o diâmetro da menor partícula na distribuição, e q é uma constante, designada por módulo de distribuição granulométrica.

O valor do coeficiente de distribuição empregado na otimização do traço VD50 foi determinado considerando a distribuição granulométrica discreta e as proporções dos materiais constituintes do traço. Assim, foi obtida a curva de distribuição granulométrica experimental da mistura e, aplicando-se o modelo de Alfred, obteve-se a curva teórica. Por meio de um processo iterativo para ajustar a curva teórica à curva experimental, buscando obter o máximo coeficiente de correlação entre elas, foi determinado o valor do coeficiente de distribuição (q = 0,17; R² = 0,9913).

A composição da mistura otimizada foi determinada por meio de um processo de otimização matemática, que utilizou como dados de entrada a distribuição granulométrica discreta dos materiais constituintes da mistura e o coeficiente de distribuição determinado para o VD50. De maneira iterativa, o programa calcula o diâmetro da menor e da maior partículas presentes na mistura, fornecendo a curva de distribuição granulométrica teórica do modelo de empacotamento adotado (modelo de Alfred). Simultaneamente, o teor de cada material constituinte é ajustado a fim de obter o máximo coeficiente de correlação entre as curvas teórica e experimental. Ao final do processo, a composição da mistura otimizada é dada em termos de porcentagem, em massa, de cada material granular constituinte.

Assim, com o auxílio de um editor de planilhas, utilizando a ferramenta solver, foi determinada a proporção ótima dos materiais constituintes da mistura otimizada, identificada como VD50E. Como pode ser observado na Figura 2, a faixa granulométrica entre a areia e o pó de vidro não é preenchida por nenhuma partícula dos materiais granulares constituintes iniciais. Por esta razão, a fim de aumentar a eficiência do empacotamento do traço selecionado, foi incluído o fíler (SM200) à lista de materiais constituintes da mistura (Figura 3), gerando um segundo traço otimizado com base no conceito de empacotamento de partículas (VD50SM), aplicando-se o modelo de Alfred e o valor do coeficiente de distribuição determinado.

Figura 2 Distribuição granulométrica discreta dos materiais sem SM200. 

Figura 3 Distribuição granulométrica discreta dos materiais com SM200. 

Na Tabela 5 estão apresentados o traço unitário (em massa), o índice de consistência e o consumo de cimento para os traços estudados. A consistência foi medida seguindo a NBR 13276 (^{ABNT, 2016}). Ressalta-se que o teor de aditivo superplastificante foi determinado a fim de se obter uma consistência de (380±10) mm (consistência fluida) para os traços REF e VD50, sendo mantido o mesmo teor de superplastificante na produção dos traços otimizados, visando a redução de variáveis no processo. O teor de aditivo redutor de retração foi adotado com base nas recomendações do fabricante. A compatibilidade entre os aglomerantes e os aditivos foi verificada por meio do ensaio de miniabatimento (^{Kantro, 1980}).

Foram, então, moldados corpos de prova cilíndricos, com dimensões de 50 mm x100mm, adensados manualmente, seguindo um procedimento de mistura dos materiais desenvolvido durante a pesquisa e adequado para cada um dos diferentes traços (Figura 4). Na produção do traço VD50SM, o pó de vidro e o fíler foram pesados separadamente e, então, acondicionados na mesma embalagem e homogeneizados por cerca de 2 minutos antes de serem adicionados à mistura.

Figura 4 Procedimento de mistura dos traços, em que V1 e V2 representam, respectivamente, as velocidades baixa e alta da argamassadeira. 

Após a moldagem, os corpos de prova foram colocados em câmara climatizada, onde permaneceram por um período de aproximadamente 48 horas, até a desmoldagem. Os corpos de prova foram então submetidos aos seus respectivos procedimentos de cura. Para a realização da cura térmica (CT) as amostras foram colocadas em um recipiente apropriado e cheio de água, de modo a garantir que todos os corpos de prova estivessem totalmente submersos. Este recipiente foi colocado em uma estufa não ventilada, que foi aquecida até (90±5)°C por duas horas, correspondendo a uma taxa de aquecimento de aproximadamente 35°C/h. Após este período de aquecimento, as amostras permaneceram na estufa por 24 horas, quando foram retiradas e levadas para uma sala climatizada, ficando neste ambiente por um período de 24 horas. Por fim, os corpos de prova foram colocados em um recipiente com água saturada de cal até as idades de ensaio. Outro grupo de corpos de prova foi submetido à cura imersa (CI) em água saturada de cal.

Verificou-se, então, a resistência mecânica dos corpos de prova por meio do ensaio de compressão axial, conforme a NBR 5739 (^{ABNT, 2018}), nas idades de 7, 28 e 180 dias, sendo considerados 8 corpos de prova por traço (4 para CT e 4 para CI). Além disso, foi avaliada a absorção de água por capilaridade, de acordo com a NBR 9779 (^{ABNT, 2012}), aos 28 dias de idade, considerando 6 corpos de prova por traço (3 para CT e 3 para CI). Os resultados obtidos foram analisados utilizando a Análise de Variância (ANOVA) e nos casos em que F > F_crítico, indicando que existem diferenças estatísticas no grupo, foi utilizado o teste de Tukey para verificar quais amostras eram diferentes do restante do grupo.

3.1 Resistência à compressão

Na Figura 5 são apresentados, graficamente, os resultados de resistência à compressão para os traços estudados. Os valores correspondem à média dos quatro valores individuais obtidos a partir dos corpos de prova ensaiados nas idades de interesse, ou seja, aos 7, 28 e 180 dias.

Figura 5 Resistência à compressão dos CCUAD produzidos. 

Comparando os diferentes tipos de cura, aos 7 dias de idade, é possível observar que as amostras submetidas à CT atingiram valores de resistência cerca de 2 vezes maiores que as amostras submetidas à CI, com exceção do traço REF, que teve uma resistência cerca de 1,6 vezes maior. Tal ganho de resistência pode ser atribuído principalmente à aceleração das reações de hidratação do cimento e das reações pozolânicas das adições minerais incorporadas, devido à exposição à temperatura de (90±5)°C praticada na cura térmica. No entanto, este ganho não é tão expressivo nas idades mais avançadas (aos 180 dias) a relação CT/CI variou entre 0,97 e 1,17, o que pode ser explicado pelo fato de a cura térmica apenas antecipar a resistência final do compósito, tendo pouco impacto na resistência em idades posteriores, principalmente nos traços otimizados por meio do empacotamento de partículas. Comportamento semelhante foi observado por outros autores que avaliaram o desempenho de misturas de CCUAD sob diferentes condições de cura. ^{Heinz et al. (2012}) analisaram o desempenho mecânico de CCUAD por meio de corpos de prova cúbicos, submetidos à cura térmica, obtendo valores de resistência de 232,5 MPa, enquanto um valor de 136,3 MPa foi obtido aos 7 dias de idade quando realizada cura imersa (1,76 vezes maior); já aos 28 dias foram obtidas resistências de 232,8 MPa (CT) e 216,1 MPa (CI) (1,08 vezes maior). ^{Sokolovicz (2020}) investigou o comportamento de CCUAD submetidos à cura térmica e obtidos pelo empacotamento de partículas, obtendo resistências 1,25 vezes maior aos 7 dias e 1,13 aos 28 dias, quando comparado com as amostras submetidas à cura imersa.

Na Figura 5 é possível observar ainda que houve uma perda de resistência entre 7 e 28 dias nas amostras submetidas à CT. No entanto, tal perda não é significativa de acordo com a análise estatística ANOVA e o teste de Tukey. ^{Melo (2000)} atribuiu essa perda de resistência às modificações geradas na microestrutura do concreto devido ao processo acelerado da hidratação do cimento. É possível observar, ainda, uma recuperação da resistência nas idades mais avançadas (180 dias), podendo ser atribuída à atividade pozolânica da sílica ativa. Além disso, como verificado por Du e Tam (2015), as reações pozolânicas do pó de vidro são mais lentas, quando comparadas ao processo de hidratação do cimento, fato que pode ter contribuído também para posterior recuperação da resistência das amostras com incorporação deste material fino.

Nas amostras otimizadas por meio do empacotamento de partículas, inicialmente não ocorreu um ganho de resistência significativo em relação às misturas dosadas tradicionalmente. Aos 7 dias de idade, as resistências das amostras dos traçosVD50E e VD50SM são inferiores às de referência, no entanto são estatisticamente iguais à resistência do traço VD50.Tal fato pode ser explicado devido ao menor consumo de cimento dos traços VD50, VD50E e VD50SM em relação à mistura de REF, prejudicando o desempenho mecânico dessas misturas nas idades iniciais. Nas idades mais avançadas observa-se um ganho significativo de resistência das amostras otimizadas. ^{Lopes (2019}) também observou ganhos de resistência significativos após 28 dias de idade em concretos otimizados por meio do empacotamento de partículas e os atribuiu ao fortalecimento das zonas de transição pelas adições minerais. Tal justificativa também pode ser aplicável neste caso, uma vez que houve alto consumo de sílica ativa nos traços otimizados. ^{Sokolovicz (2020}) avaliou o comportamento mecânico de CCUAD empacotados e submetidos à cura úmida, obtendo resistências de 115,30 MPa, 138,60 MPa e 158,9 MPa, aos 7, 28 e 91 dias, respectivamente. Observa-se, neste caso, um desenvolvimento mais uniforme da resistência ao longo do tempo, que pode ser explicado pelo fato de as amostras apresentarem menor consumo de sílica ativa e por não terem a incorporação de pó de vidro, que possui atividade pozolânica mais lenta, como citado anteriormente. Observa-se ainda que a resistência final obtida pelo autor é próxima da obtida neste trabalho.

Destaca-se que o desenvolvimento da resistência à compressão dos CCUAD estudados ocorre em função da hidratação do cimento e da reação pozolânica da sílica ativa e do pó de vidro. Dependendo do tipo e teor de adição mineral utilizada e do regime de cura adotado, um ganho significativo de resistência pode ocorrer em idades superiores a 28 dias (como pode ser observado na Figura 5 para a resistência aos 180 dias), fato que deve ser levado em consideração no projeto de estruturas de concreto.

3.2 Absorção de água

Na Figura 6 estão apresentados, graficamente, os resultados do ensaio de absorção de água por capilaridade obtidos para os traços produzidos. Os valores correspondem à média dos três valores individuais obtidos a partir dos corpos de prova ensaiados na idade de 28 dias.

Figura 6 Absorção de água por capilaridade dos CCUAD produzidos. 

A partir da Figura 6, é possível observar que os menores teores de absorção de água por capilaridade foram obtidos nas amostras otimizadas por meio do empacotamento de partículas, considerando a utilização de SM200 (VD50SM). Tal fato pode ser explicado pelo efeito fíler proporcionado pelo material, possibilitando a obtenção de uma microestrutura mais densa e homogênea, além de gerar uma estrutura de poros desconexos, reduzindo a absorção de água pelo material (^{Tam et al, 2012}). Além disso, observa-se que as amostras otimizadas (VD50E e VD50SM), no geral, absorveram menos água que aquelas dosadas tradicionalmente, o que pode ser explicado tanto pelo melhor preenchimento dos vazios proporcionado pelo empacotamento de partículas quanto pelo alto consumo de sílica ativa que, além do efeito fíler, proporciona uma quantidade adicional de C-S-H gerada pela reação pozolânica, bloqueando os poros presentes no material (Tam et al, 2012). Tal efeito também explica a razão pela qual, no geral, as amostras submetidas à CT apresentaram menor absorção de água que aquelas submetidas à CI, uma vez que este procedimento de cura aumenta a quantidade de C-S-H nas primeiras idades devido a aceleração das reações de hidratação do cimento.

Cabe destacar a grande dispersão de resultados observada para alguns CCUAD estudados, como é o caso do REF-CI e VD50-CI. Como os valores de absorção de água por capilaridade obtidos para essas misturas são muito baixos (0,793 kg/m² para REF-IC e 0,882 kg/m² para VD50-CI), uma pequena diferença entre os valores obtidos para os corpos de prova das amostras pode resultar em um desvio padrão considerável, como observado no presente estudo, correspondendo a coeficientes de variação de 10,4% e 26,0%, respectivamente).

Assim, com base nos resultados obtidos, verificou-se que o procedimento de ensaio prescrito na NBR 9779 (^{ABNT, 2012}) para determinação da absorção de água por capilaridade em argamassa e concreto endurecidos não se mostrou adequado para aplicação em CCUAD, uma vez que devido à baixa quantidade de poros presente na microestrutura do concreto, os corpos de prova não apresentavam diferenças significativas de massa após longos períodos na estufa ou após longos períodos de exposição à água.

3.3 Análise estatística

Nas Tabelas 6, 7, 8 to 9, apresentadas a seguir, são apresentados os resultados das análises estatísticas realizadas para os resultados de resistência mecânica e absorção de água por capilaridade dos CCUAD produzidos. Destaca-se que o Sim e o Não indicam se existe ou não diferença significativa.

De acordo com a Tabela 6 é possível observar que houve diferença significativa nos valores de resistência à compressão (aos 7 dias de idade) das amostras submetidas à CT, em comparação às amostras após CI. A incorporação do pó de vidro proporcionou uma diminuição significativa da resistência mecânica dos CCUAD.

Aos 28 dias de idade (Tabela 7), é possível observar que as misturas VD50-CT, VD50SM-CT e VD50SM-CI não apresentaram diferenças significativas em relação à maioria dos CCUAD estudados. Para a mistura VD50SM, com a incorporação de sílica ativa, pó de vidro e fíler, o procedimento de cura empregado (CT ou CI) não implicou em diferenças significativas em termos de resistência mecânica. As amostras com incorporação do pó de vidro e submetidas à CT não apresentaram diferenças significativas em relação à amostra de referência após CT (REF-CT).

De acordo com a Tabela 8 é possível observar que houve diferença significativa nos valores de resistência à compressão (aos 180 dias de idade) das amostras submetidas à CT, em comparação às amostras após CI nas misturas REF e VD50. Nas demais, o tipo de cura não interferiu de maneira significativa na resistência. Nas amostras submetidas à CT, a incorporação de pó de vidro não proporcionou diferença significativa na resistência à compressão dos CCUAD.

De acordo com a Tabela 9 é possível observar que não houve diferença significativa nos valores de absorção de água das amostras submetidas à CT, em comparação às amostras após CI, exceto na amostra sem pó de vidro (REF). A incorporação de pó de vidro não proporcionou diferença significativa na absorção de água dos CCUAD submetidos à CT (exceto a mistura VD50). Já as misturas em que buscou-se um melhor empacotamento (VD50E e VD50SM), a diminuição nos valores de absorção de água por capilaridade foi significativa, quando comparada à mistura VD50, independente do tipo de cura adotado.