1. INTRODUÇÃO

Os agregados utilizados no concreto podem ocupar até três quartos do volume total de concreto e podem influenciar em maior ou menor grau na trabalhabilidade, propriedades mecânicas, durabilidade e porosidade do mesmo. Também reduzem os custos e proporcionam estabilidade. Assim, a caracterização dos agregados é indispensável para projetar e prever o comportamento do concreto.

Os concretos produzidos na Península de Yucatán utilizam agregado de rocha calcária moída cujas principais características são alta porosidade, alta absorção, baixa densidade, alta fragilidade e elevada densidade de finos, que comparados com os agregados de pouca absorção, estas características são típicas de um agregado deficiente (Moreno e Arjona, 2011). Portanto, neste tipo de concreto, a fase de agregados afeta as propriedades mecânicas do concreto, tais como resistência à compressão (RC) e módulo de elasticidade (ME), gerando a necessidade de utilizar maiores quantidades de cimento para satisfazer os requisitos mecânicos objetivos.

Por sua vez, Solis e Moreno (2012) investigaram a máxima RC para a dosagem de concreto agregado calcário moído de alta absorção (ACTAA) com relações a/c entre 0,20 e 0,45 com consumos de cimento de 460 a 1300 kg/m³, sem considerar adições pozolânicas. A RC máxima foi de aproximadamente 500 kg/cm² para 28dias e uma RC média de cerca de 600 kg/cm² a idades posteriores. Não se observou que a RC do concreto aumentou significativamente devido a um consumo superior a 850 kg/m³ de cimento, porque os agregados tinham atingido a sua capacidade máxima.

Sendo o cimento o material do concreto mais caro tanto economicamente como ambientalmente, utilizar materiais cimentícios suplementares poderia ser considerado uma necessidade. As pozolanas são materiais silicosos ou sílico-aluminosos que se possuem pouco ou nenhum valor cimentício, mas se são finamente divididos ou na presença de umidade, reagem quimicamente com o hidróxido de cálcio (CH) a temperaturas normais para formar compostos que possuem propriedades cimentícias (ASTM C125). Como as pozolanas podem ser usadas para substituir parcialmente o cimento Portland ou como adições minerais ao concreto, podem ser obtidas propriedades mecânicas similares ou superiores que nos concretos base cimento portland.

Em Yucatan, a aplicação de pozolanas não é comum porque em seu relevo não se encontram regiões vulcânicas e a indústria não geram resíduos com características pozolânicas. No entanto, ^{Aportela e Pardo L. (2002)} estudaram a viabilidade técnica do uso de cinzas do vulcão Popocatépetl como material cimentício em concreto com ACTAA, os autores observaram que a RC diminuiu conforme se incorporou cinzas do vulcão por substituição de cimento portland e agregado miúdo.

Na região de Nava, México, há uma Central termoelétrica, usina movida a carvão que produz grandes quantidades de cinzas volantes (CV) devido à queima de carvão pulverizado. Por sua origem, esta CV é classificada como artificial, e por sua composição química de óxidos é considerada de Classe F, de acordo com a norma ASTM C 618. Foram relatados concretos com alta resistência mecânica à compressão, com alto teor de CV da região de Nava e com baixo consumo de cimento Portland (100 - 150kg/m³), sendo imprescindível a utilização do aditivo superplastificante para ambas as dosagens para alcançar a trabalhabilidade esperada (^{Valdez P. et al., 2007}). No trabalho de ^{Valdez P. et al. (2007)} não foi investigada a atividade pozolânica da CV.; no entanto, ao ser aumentada a RC de um determinado concreto, normalmente o ME tende a aumentar também e a CV. de Nava se mostrou um material potencialmente útil na indústria do concreto.

^{Siddique R. (2003)} investigou as propriedades mecânicas do concreto (RC e ME) com adições minerais de CV em 10%, 20%, 30%, 40% e 50%; nos resultados foram obtidos valores maiores do que a referência em todas as adições, ainda o autor conclui que a CV classe F pode ser utilizada para uso estrutural.

As porosidades registradas no concreto com ACTAA em Yucatán variam entre 18% e 25% para diferentes relações a/c, sendo este um valor muito alto em comparação com concretos feitos com outros tipos de agregados. A diminuição da porosidade na pasta cimentícia utilizando CV da região de Nava é proposta como uma solução para que o concreto com ACTAA aumente as suas propriedades mecânicas.

O objetivo do estudo foi determinar a viabilidade do uso da CV para diminuir a porosidade e aumentar a RC e ME do concreto com ACTAA. Também considerando a possibilidade de uma economia na quantidade de cimento com as dosagens de substituição parcial de cimento por CV. No entanto, olhando do ponto social, ao dar um uso e espaço a um resíduo industrial como a CV tem também um impacto importante para a região vizinha onde é produzido.

2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Os materiais utilizados para a fabricação das amostras das dosagens de concreto foram caracterizados com base na Norma da Sociedade Americana para Ensaios e Materiais (ASTM). Foi utilizado cimento portland composto CPC 30R na fabricação dos corpos de prova, porque é um dos mais utilizados na península de Yucatán e este projeto avalia a aplicabilidade da CV em condições normais de obra. Este cimento está em conformidade com os requisitos da norma ^{NMX C-414 ONNCCE}.

A morfologia da CV foi obtida por análise de imagem com um microscópio electrônico de varredura (SEM), a composição química de óxidos por fluorescência de raios-X (FRX), a distribuição de tamanho de partícula (DTP) pela difracção a laser. Além disso, foram obtidos o índice de atividade resistente (IAR) e a densidade.

O método de dosagem utilizado foi o do American Concrete Institute (ACI 211.1), com duas modificações:

Foram estudados 10 traços de concreto, com relação água/ material cimentício (a/mc) de 0,5 e de 0,7. A Tabela 1 mostra a nomenclatura de cada traço de concreto para fins práticos de leitura. Cada dosagem foi de 55 litros. A quantidade de corpos de prova de concreto está apresentada na Tabela 2. As amostras foram preparadas de acordo com a norma ASTM C 31 e foram curados em imersão em água com hidróxido de cálcio.

A RC, o ME e a porosidade foram determinadas de acordo com as normas ASTM correspondentes.

3. RESULTADOS

Na Tabela 3 se apresenta a caracterização física dos agregados miúdos e graúdos: massa específica aparente, massa específica do grão, absorção de água, resistência à abrasão e módulo de finura. Os valores apresentados são a média de 3 amostras. Nas Figuras 1 e 2 se apresentam a granulometria do agregado graúdo e do agregado miúdo. Pode ser observado que apenas o agregado miúdo atinge os padrões estabelecidos pela norma ASTM C33.

Para que a CV proposta pudesse ser usada de acordo com a norma ASTM C 618, deveria cumprir com uma quantidade de óxidos, uma finura e um IAR. A somatória da quantidade de óxidos de alumínio, de silício e ferro deve ser de pelo menos 70%. A densidade da CV obtida de acordo com as especificações da norma ASTM C 311 e ASTM C 188 foi de 2,0 g/cm³. A Tabela 4 mostra a caracterização da CV utilizada.

A granulometria das partículas de cinzas volantes foi determinada pela técnica de DTP por meio de laser com o equipamento MICROTRAC (Figura 3). A norma ASTM C 618 diz que a amostra de CV não deve reter mais de 35% na malha n. 325, que tem um tamanho de 45 micra.

Finalmente, a norma ASTM C 618 indica que a CV classe F deve ter um IAR mínimo aos 7 ou 28 dias de 75%, a fim de serem considerados para utilização em concreto. A Tabela 5 apresenta os resultados.

As imagens SEM foram tomadas em 1000 e 10.000 ampliações (Figura 4).

Com relação às misturas de concreto estudadas utilizaram as seguintes proporções sem ajuste de umidade dos agregados (Tabela 6). Os resultados dos ensaios de RC aos 28 e 91 dias, ME aos 28 dias e a porosidade aos 91 dias podem ser vistos nas Tabelas 7, 8 e 9, respectivamente.

4. DISCUSSÃO

O agregado graúdo não atendeu à granulometria estipulada pela norna ASTM C 33, pois tem uma quantidade insuficiente de partículas com dimensões de 3/8"; isto pode ser devido à uma moagem inadequada. A absorção do agregado graúdo é alta por causa de sua alta porosidade e a densidade é baixa. Quanto ao agregado miúdo, sua granulometria cumpriu com os requisitos da norma ASTM C 33. De acordo com seu módulo de finura é considerada como uma areia média. No entanto, a densidade e absorção são semelhantes ao agregado graúdo. A CV cumpriu com os requisitos mínimos de quantidade de óxidos, onde se somaram 91,1%, o que a classifica como uma CV Classe F; assim como obteve um índice de atividade resistente de 75% aos 7 dias e de 82% após 28 dias, em conformidade com os requisitos da norma. A densidade da CV é inferior a do cimento e dos agregados, no entanto, encontra-se entre os valores mencionados por ^{Neville, 1998}. A CV não satisfez os requisitos de finura para utilização como uma pozolana; Se for observado o ponto marcado na Figura 3, apenas 28,83% tem um tamanho de partícula de 44 micra; no entanto, não foi levada à moagem porque o objetivo foi o de observar o fenômeno da CV nas propriedades mecânicas na sua forma original, sem qualquer modificação em como foi obtida. Quando a CV é usada como adição mineral, uma porcentagem do volume de agregados miúdos é substituído. De acordo com a ASTM C 33, a CV tem muitos finos para ser usada como "agregado"; no entanto, a finura de origem da C.V. proporcionaria um melhor empacotamento para a mistura de concreto. Nas imagens de SEM obtidas (Figura 4), se observa que a CV é formada por partículas esféricas.

Nos estudos de dosagem observou-se uma diminuição na quantidade de agregado miúdo conforme se adicionava CV sem importar se foi por substituição de cimento ou como adição mineral (Figura 5). Isto se deve ao fato da CV ocupar mais volume do que o cimento Portland para atingir o peso de substituição necessário no estudo de dosagem pela diferença de densidades, em seguida, ao ter maior volume de pasta de cimento, se reflete uma redução de volume do agregado fino e, portanto, em seu peso. Assim, a incorporação de CV proporciona uma redução no consumo de matérias primas.

A RC nos corpos de prova de relação a/mc 0,5, o traço ACV-10 RC atingiu uma RC maior do que a proposta pelo ACI 211, que é de 334,4 kg/cm² aos 28 dias, as outras amostras não alcançaram o especificado pela norma. Nos corpos de prova com 91 dias de idade, os traços MR, ACV-10 e ACV-20 alcançaram maior RC que a RC objetivo do ACI, no entanto, em comparação com a MR aos 91 dias, nenhum traço com CV obteve uma maior RC.

Nos corpos de prova de relação a/mc de 0,7, todas os traços atingiram a RC proposta pelo ACI 211, de 200 kg/cm², exceto para o SCV-40, aos 28 dias e 91 dias de idade. A CV não melhorou a RC em nenhuma substituição e/ou adição mineral em comparação com os traços de referência, de modo que se pode dizer que os aumentos de RC de 28 a 91 dias são devido ao cimento. Através de uma análise de variância (ANOVA), se buscou uma relação entre a relação a/mc, a porcentagem de substituição ou adição de CV e a idade do concreto para a previsão da RC do concreto (Tabela 10). Foram tomadas como variáveis independentes a idade do concreto, a relação a/c real, a relação de volume de CV/volume total da mistura e a variável dependente foi a RC como se mostra na Tabela 10. Mediante uma regressão múltipla no programa obteve-se a equação 1.

Onde: ƒ’c = RC em kg/cm², Idade = Idade do concreto em dias, a/c = Relação a/c real, Vol. C.V. /m³ = Relação de volume de CV por m³.

Para a utilização da equação 1, deve-se tomar as seguintes considerações:

A fim de ter um ponto de comparação, o ME de cada mistura foi determinado com as fórmulas propostas pelas Normas Técnicas Complementares do Regulamento de Construção do Distrito Federal (NTC RDF) para concreto classe 2 e peso volumétrico inferior a 2200 kg/m³ (equação 2) as normas de projeto do ACI 318 para concretos com peso volumétrico entre 1440 kg/m³ e 2480 kg/m³ (equação 3) e uma pesquisa conduzida na Faculdade de Engenharia da Universidade Autónoma de Yucatán (FIUADY) por ^{Hernandez em 2013}, que estabelece uma relação entre as densidades dos agregados e a raiz quadrada da RC para prever o ME em concretos com ACTAA, (equação 4). A comparação dos resultados encontra-se na Tabela 11.

Onde: E = ME em kg/cm², Wc = massa específica de concreto fresco em kg/m³, f’c = RC em kg/cm², GEAG (adimensional) = massa específica do agregado graúdo (densidade SSS), GEAF (adimensional) = massa específica do agregado miúdo (densidade SSS), f’c (kg/cm²) = RC do concreto.

A fim de fazer uma semelhança com a fórmula das NTC- RCDF, se determinou a função de K do ME obtidos em experiências, com uma regressão linear ajustada no programa Microsoft Excel, tendo em conta que para uma f’c = 0, se obteria um valor de ME de 0 (Figura 6). A equação obtida com a regressão linear foi:

Onde: E = ME em kg/cm², FC = RC em kg/cm². A equação obtida tem um valor de K 60% maior que o apresentado na norma NTC RDF, o que leva ao superdimensionamento das estruturas de concreto. Por isso, é importante ter uma norma regional de acordo com o tipo de agregado.

Os resultados da porosidade, densidade e absorção não variaram significativamente no que diz respeito à incorporação da CV no concreto. No entanto, foi observado um ligeiro aumento na porosidade do concreto conforme se incorporava CV, ver Tabela 9.

A porosidade é um dos principais fatores que afetam a resistência e a durabilidade do concreto, quanto mais poroso for o concreto, menor será a sua resistência mecânica e maior a sua vulnerabilidade a agressividade ambiental (^{Mehta e Monteiro, 1998}). A Figura 7 mostra os resultados de RC do concreto aos 91 dias; os resultados sugerem o seguinte: se observa a tendência de diminuir a RC ao aumentar a porosidade tomando como ponto de referência o traço MR; No entanto, as porcentagens de porosidade não variam mais do que 4%, e a RC dos traços de substituição apresenta uma diminuição significativa da RC em comparação com os resultados das MR. Numa investigação de laboratório da porosidade do concreto com ACTAA (^{Solis e Moreno, 2011}), concluiu-se que o critério da porosidade como um indicativo da qualidade do concreto não foi adequado para ACTAA. Os resultados desta pesquisa em termos de porcentagens de porosidade e sua relação com a RC parecem ratificar o mencionado.

5. CONCLUSÕES

A CV classe F da região de Nava, México é recomendada para uso em concreto com ACTAA em forma de agregado miúdo inerte pelas seguintes razões:

Caso ainda assim haja interesse em utilizar a CV. como uma pozolana, recomenda-se alterar a finura da CV. para melhorar o empacotamento do concreto e incentivar a atividade pozolânica.