CONCRETO
ESTRUTURAL
Produção, propriedades,
microestrutura e aplicações
JOÃO ADRIANO ROSSIGNOLO
é Professor Associado do Departamento de
Arquitetura e Urbanismo da Escola de Engen-
haria de São ...
CONCRETO
LEVE ESTRUTURAL
Produção, propriedades, microestrutura e aplicações
CONCRETO
LEVÉ ESTRUTURAL
Produção>, propriedades, microestrutura e aplicações
Prof. Assoc. João Adriano Rossignolo
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Concreto Leve Estrutural
© COPYRIGHT EDITORA PINILTDA
Todos os direitos reservados.
É proibida a reprodução total ou parci...
Dedico este livro
às duas mulheres da minha vida:
Vivian Lara,
eterna e amada companheira,
pela dedicação e pelo carinho i...
AGRADECIMENTOS
| Cleuza Aparecida Melegari | João Celbo Rossignolo | Marlene Melegari | Ange-
lina Giovaninit | Eurípides ...
SUMÁRIO
Resumo 11
Prefácio 13
Capítulo Introdução 15
Definições e especificações 17
Panorama histórico do concreto leve 19...
Capítulo Propriedades do concreto leve 5 7
Resistência à compressão e massa específica 57
Resistência à tração 64
Módulo d...
RESUMO
Este livro sistematiza a produção científica do autor, compreendida entre
1 9 9 9 e 2 0 0 9 , sobre a temática de c...
PREFÁCIO
A ampla utilização dos concretos leves estruturais deve-se, especial-
mente, aos benefícios promovidos pela dimin...
O desenvolvimento desses projetos resultou na publicação de três capítu-
los de livros, 15 artigos em periódicos e 5 2 art...
INTRODUÇÃO/
O concreto de cimento Portland é o material de construção mais
utilizado em todo o mundo. Isso se deve, ao men...
Essas inovações na tecnologia dos concretos resultaram em um incremento da
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Com isso, este livro dedica-se ao melhor entendimento das modificações
ocasionadas na dosagem, na produção, nas propriedad...
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Além dos valores de massa específica aparente, outros parâmetros podem ser
utilizados para classificar o concreto leve est...
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Figura 12. Instalações da Cinasita em Jundiaí-SP.6
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Paulo, em especial sua dissertação de mestrado defendida em 1973 e intitulada
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Figura 3 9 . Ilustração do avanço da frente de carbonatação em concretos com
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5MICROESTRUTURA
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João adriano rossignolo concreto leve estrutural

  1. 1. CONCRETO ESTRUTURAL Produção, propriedades, microestrutura e aplicações
  2. 2. JOÃO ADRIANO ROSSIGNOLO é Professor Associado do Departamento de Arquitetura e Urbanismo da Escola de Engen- haria de São Carlos (EESC-USP); Livre-Do- cente em Arquitetura, Urbanismo e Tecnolo- gia (EESC-USP 2009); Doutor em Ciência e Engenharia de Materiais (USP/LNEC-Lisboa, 2003); Mestre em Arquitetura, Urbanismo e Tecnologia (EESC-USP 1999) e Engenheiro Civil (EESC-USP 1993). O Professor Rossignolo possui mais de 80 artigos publicados em periódicos e anais de congressos, é pesquisador do CNPq (bolsista produtividade) e atua como revisor de diversos periódicos internacionais, como Cement and Concrete Research, Computers & Concrete e ACI Materials Journal. Atualmente está credenciando como orien- tador de mestrado e doutorado no Programa de Pós-Graduação em Arquitetura e Urbanis- mo da EESC-USP, com atuação na área de construção civil, com ênfase em desenvolvi- mento de concretos especiais, microestrutura do concreto, análise de viabilidade do uso de resíduos na construção civil e avaliação de desempenho de edificações.
  3. 3. CONCRETO LEVE ESTRUTURAL Produção, propriedades, microestrutura e aplicações
  4. 4. CONCRETO LEVÉ ESTRUTURAL Produção>, propriedades, microestrutura e aplicações Prof. Assoc. João Adriano Rossignolo Departamento de Arquitetura e Urbanismo da Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. EESC-USP PIN!
  5. 5. Concreto Leve Estrutural © COPYRIGHT EDITORA PINILTDA Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial deste volume, de qualquer forma ou por quaisquer meios, sem o consentimento expresso da editora. Coordenação de Manuais Técnicos Josiani Souza Revisão Bete Abreu Diagramação W/Design Editorial Este livro foi catalogado na Câmara Brasileira do Livro. Dados Internacionais de Catalogação na publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) Rossignolo, João Adriano Concreto leve estrutural: produção, propriedades, microesíruturo e oplicoções / João Adriono Rossignolo. - São Poulo: Pini, 2 0 0 9 . ISBN 978-85-7266-220-8 1. Análise estrutural (Engenharia) 2. Engenharia de estruluras 3. Estruturas de concreto leve 4. Projeto estruturol I. Título. 0 9 - 1 1 0 0 4 CDD-624.1834 índices para catalogação sistemático: 1. Concreto leve e estrutural: Engenhario 6 2 4 . 1 8 3 4 1= edição, 13 tirogem, dezembro/09 EDITORA PINI LTDA. Rua Anhaia, 9 6 4 - 0 1 1 3 0 - 9 0 0 - São Paulo - SP - Brasil Telefone: (11) 2 1 7 3 - 2 3 0 0 Fax: (11) 2173-2327 www.piniweb.com - manuois@pini.com.br
  6. 6. Dedico este livro às duas mulheres da minha vida: Vivian Lara, eterna e amada companheira, pela dedicação e pelo carinho incondicionais. Catarina, nossa encantadora filha, que nos iluminou com sua alegria e é motivo de entusiasmo e paixão pela vida.
  7. 7. AGRADECIMENTOS | Cleuza Aparecida Melegari | João Celbo Rossignolo | Marlene Melegari | Ange- lina Giovaninit | Eurípides Alves da Silva | Maria Batista S. Silva | Alan Roger S. Silva | Ana Carolina P. Ribeiro | Michelle dos Santos Silva | Cícero Luiz dos Reis Silva | Meire da Penha N. Monteiro | Marcos Vinício Costa Agnesini | Osny Pel- legrino Ferreira | | Ana Paula S. C. Menezes | Antonio Bettencourt S. Ribeiro 1 Antonio J. Tessarin Antonio M. Santos Silva | Arlindo Freitas Gonçalves | Augusto Carlos de Vascon- celos | Camila Ferrari | CAPES | Carlos Alberto Pereira | CINEXPAN | CNPq | Construtora São José | Eduvaldo Paulo Sichieri | EESC | Fabrício Tomo | FAPESP | Fernanda F. Graçon | Frederico G. Nivoloni | Guilherme Gallo | Helenice M. Sacht | Holmer Savastano Júnior | Ismael L. Oliveira | Javier Mazariegos Pablos | José Carlos S. Jovine | José I. Rezende Neto | Karina Ganzer | LNEC-Lisboa | Manuel Gomes Vieira | Márcio Minto Fabrício | Marco Antonio Rabello | Marcus Sugawara | Maria Manuela S. R. L. Salta | Metacaulim do Brasil | Paulo C. Albertini | Paulo W. Pratavieira | Roberto Rabello de Carvalho | Sérgio A. Trevelin | Silvio Alves de Oliveira | Sofia A. Lima | Stamp Painéis Arquitetônicos | Stone Pré-fa briçados Ar- quitetônicos | USP | Wilson Nunes dos Santos | WTorre Engenharia |
  8. 8. SUMÁRIO Resumo 11 Prefácio 13 Capítulo Introdução 15 Definições e especificações 17 Panorama histórico do concreto leve 19 Capítulo Agregado leve 3 3 Processos de fabricação 33 Forma e textura superficial 36 Estrutura interna, resistência mecânica e módulo de deformação 37 Porosidade e absorção de água 38 Controle tecnológico 40 Argila expandida brasileira 40 Capítulo Dosagem e produção do concreto leve 4 9 Dosagem e relação água/cimento efetiva 49 Mistura e teor de umidade dos agregados 51 Trabalhabilidade 52 Transporte, lançamento e adensamento 53 Procedimentos de cura 54
  9. 9. Capítulo Propriedades do concreto leve 5 7 Resistência à compressão e massa específica 57 Resistência à tração 64 Módulo de deformação e curva tensão-deformação 66 Retração por secagem 67 Propriedades térmicas 70 Durabilidade 71 Considerações sobre as propriedades dos concretos leves 76 Capítulo Microestrutura do concreto leve 7 9 Zona de transição nos concretos convencionais 79 Zona de transição nos concretos com agregados leves 82 Zona de transição nos concretos com argila expandida brasileira 83 Capítulo Aplicações do concreto leve 9 1 Aplicações pelo mundo 91 Aplicações no Brasil 113 Referências Bibliográficas 1 3 7
  10. 10. RESUMO Este livro sistematiza a produção científica do autor, compreendida entre 1 9 9 9 e 2 0 0 9 , sobre a temática de concretos leves estruturais. A modesta publicação nacional e os indicativos da alta viabilidade técnica e econômi- ca dos concretos leves em alguns setores da construção civil motivaram o interesse do autor pelo melhor entendimento das modificações na dosagem, na produção, nas propriedades bem como na microestrutura do concreto com a substituição dos agregados convencionais por argila expandida. A contribuição esperada deste livro refere-se, dessa forma, ao melhor entendi- mento do desempenho das propriedades do concreto com agregados leves nacionais, visando sua correta utilização.
  11. 11. PREFÁCIO A ampla utilização dos concretos leves estruturais deve-se, especial- mente, aos benefícios promovidos pela diminuição da massa específica do concreto à estrutura, como a redução de esforços solicitantes, a economia com formas e cimbramento bem como a diminuição dos custos com trans- porte e montagem de edificações pré-fabricadas. Ocorre, porém, que além da redução da massa específica, a substituição dos agregados convencionais por agregados leves pode ocasionar alterações significativas no desempenho de outras propriedades do concreto estrutural, com destaque para a trabalhabilidade, a resistência mecânica, o módulo de deformação, a durabilidade, a estabilidade dimensional, a condutividade térmica e para a microestrutura da zona de transição pasta-agregado. Nesse sentido, este livro sintetiza os resultados de pesquisas desenvolvi- das pelo autor nos últimos dez anos (1999-2009), com o intuito de melhor compreender as alterações ocasionadas no desempenho das propriedades dos concretos estruturais com a utilização de agregado leve, em particular a argila expandida brasileira. Sob a temática do desenvolvimento de concretos leves estruturais, o autor coordenou quatro projetos de pesquisa que contaram com apoio financeiro da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) e da Fundação para o Incremento da Pesquisa e do Aperfeiçoamento Indus- trial (FIPAI).
  12. 12. O desenvolvimento desses projetos resultou na publicação de três capítu- los de livros, 15 artigos em periódicos e 5 2 artigos em anais de congressos e em uma patente. Este livro está dividido em seis capítulos interdependentes, conferindo um caráter didático à temática "concreto leve estrutural". Introduzindo a temática de interesse, apresentam-se no primeiro capítulo as definições e a evolução do desenvolvimento do concreto leve estrutural. Avançando na discussão pretendida, no segundo capítulo, discutem-se a produção, as características e as propriedades dos agregados leves, com destaque para a argila expandida brasileira; no terceiro capítulo, apre- sentam-se as alterações promovidas por esse agregado na dosagem e na produção dos concretos. São analisadas as principais alterações promovi- das pela argila expandida brasileira no processo de dosagem, na mistura, no transporte e na cura dos concretos. Adicionalmente, no terceiro capítulo aborda-se, ainda, a forma de definição da relação água/cimento efetiva em concretos com argila expandida. Dando seqüência, no quarto capítulo, avaliam-se os efeitos desse agrega- do nas propriedades dos concretos. São analisados, de forma comparativa, os resultados de estudos correlatos desenvolvidos em outros países com os obtidos pelo autor, utilizando concretos com argila expandida brasileira. Com isso foi possível propor alguns modelos teóricos para previsão do com- portamento desse material no estado endurecido. No quinto capítulo, apresentam-se os estudos referentes à microestrutura dos concretos com argila expandida, mais especificamente sobre a zona de transição pasta-agregado. Foram utilizadas técnicas de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia ótica de transmissão (MOT) para avaliar o efeito da argila expandida brasileira na espessura e na qualidade da zona de transição pasta-ag regado, de forma comparativa ao agregado convencional. Encerrando o livro, no sexto capítulo, discutem-se exemplos de aplicações dos concretos leves em diversos países, assim como no Brasil, com destaque para aplicações recentes em obras de destaque no cenário nacional.
  13. 13. INTRODUÇÃO/ O concreto de cimento Portland é o material de construção mais utilizado em todo o mundo. Isso se deve, ao menos em parte, ao fato de seus componentes serem produzidos, de modo relativamente fácil, a partir do emprego de matérias-primas locais, bem como pelo fato de o concreto ter uma aplicação versátil, adaptando-se facilmente às condições existentes. Desde a invenção do concreto moderno — com a patente do cimento Portland obtida em 1 824 por Joseph Aspdin — até o início da década de 1970, o concreto continuou sendo "simplesmente" uma mistura de agregados, cimento e água, sem ser alvo de grandes inovações que alterassem significativamente o desempenho de suas propriedades. Nas quatro últimas décadas, porém, houve uma grande evolução na tecnologia desse material, devido, essencialmente, ao aprimoramento de técnicas e equipamentos para o estudo do concreto, assim como ao uso de novos materiais. Dentre esses novos materiais destacam-se os aditivos redutores de água e as adições minerais pozolânicas, que possibilitaram melhorias significativas no desem- penho das propriedades dos concretos relacionadas à resistência mecânica e à durabilidade. Dentre as novas técnicas de estudo dos concretos, destacam-se as técnicas de estudos microestruturais, que permitiram o conhecimento aprofundado da microestrutura da matriz de cimento e da zona de transição entre o agregado e a pasta de cimento.
  14. 14. Essas inovações na tecnologia dos concretos resultaram em um incremento da utilização dos concretos especiais, como os concretos leves. Pode-se afirmar que o peso das estruturas em concreto é elevado quando com- parado às cargas aplicadas, especialmente em estruturas de grandes vãos, como as pontes e os edifícios de múltiplos pavimentos. Nesses casos, melhorias conside- ráveis no desempenho da estrutura em concreto armado podem ser geradas com a redução do peso total, por exemplo, com o uso de agregados leves. O concreto com agregados leves, ou concreto leve estrutural, apresenta-se como um material de construção consagrado em todo o mundo, com aplicação em diver- sas áreas da construção civil, como edificações pré-fabricadas, pontes e plataformas marítimas. A ampla utilização desse material é particularmente atribuída aos benefícios promovidos pela diminuição da massa específica do concreto, como a redução de es- forços na estrutura das edificações, a economia com formas e cimbramento, bem como a diminuição dos custos com transporte e montagem de construções pré-fabricadas. Além da redução da massa específica, a substituição dos agregados convencio- nais por agregados leves pode ocasionar alterações significativas em outras impor- tantes propriedades do concreto, com destaque para trabalhabilidade, resistência mecânica, módulo de deformação, durabilidade, estabilidade dimensional, condu- tividade térmica, resistência a altas temperaturas e espessura da zona da transição entre o agregado e a pasta de cimento. O conhecimento dessas modificações é fundamental para a correta aplicação desse material. Um aspecto importante a se considerar refere-se ao fato de os concretos leves apresentarem um aumento do consumo de energia para sua produção em relação aos concretos convencionais, para a mesma tensão de trabalho, em função da produção dos agregados leves em fornos rotativos. Deve-se ressaltar, porém, que a energia adicional utilizada na produção dos agregados pode ser facilmente compensada pela redução da massa específica do concreto, que, em casos particu- lares, favorece a redução da armadura, do volume total de concreto e da energia utilizada no transporte e no processo construtivo. Além disso, quando comparado ao concreto convencional, o concreto leve promove a redução do consumo de ener- gia no condicionamento térmico das edificações quando utilizado nas vedações.
  15. 15. Com isso, este livro dedica-se ao melhor entendimento das modificações ocasionadas na dosagem, na produção, nas propriedades e na microestrutura do concreto de cimento Portland com a substituição dos agregados conven- cionais por agregados leves — mais especificamente, pela argila expandida brasileira. 1.1 Definições e especificações Os concretos leves caracterizam-se pela redução da massa específica em relação aos concretos convencionais, conseqüência da substituição de parte dos materiais sólidos por ar. Podem ser classificados em concreto com agrega- dos leves, concreto celular e concreto sem finos (Figura 1). Neste livro, será abordado o concreto com agregados leves, por ser o que usualmente apresenta aplicação estrutural, motivo pelo qual também é conhecido como concreto leve estrutural. Figura 1. Concreto leve: a) com agregados leves; b) celular; e c) sem finos. Os concretos leves estruturais são obtidos pela substituição total ou parcial dos agregados convencionais por agregados leves. De modo geral, são caracterizados por apresentar massa específica aparente abaixo de 2000 kg/m3, conforme ilus- trado na Tabela 1.
  16. 16. Referência Massa específica aparente (kg/m3) NM 35 (1995) ACI 213R-03 (2003) EUROCODE 2 (2007) NS 3473 E (1998) CEB-FIP (1977) RILEM (1975) 1680 < y < 1840 1120 < y < 1920 9 0 0 < y < 2 0 0 0 1200 < y < 2 2 0 0 y < 2 0 0 0 Y < 2 0 0 0 Tabela 1. Valores de referência da massa específica dos concretos leves estruturais. O ACI 213R-03 (2003) especifica que o concreto leve estrutural, além de apre- sentar o valor da massa específica nos limites apresentados na Tabela 1, deve apresentar resistência à compressão aos 28 dias acima de 17 MPa. A NM35 (1995) apresenta valores mínimos de resistência à compressão em função dos valores de massa específica aparente, conforme verifica-se na Tabela 2. Valores intermediários de resistência ã compressão e de massa específica aparente correspondentes podem ser obtidos por interpolação. Além disso, esse documento normativo especifica que os agregados leves utilizados na produção dos concre- tos estruturais devem apresentar valores de massa unitária no estado seco e solto abaixo de 1 120 kg/m3, para agregados miúdos, e de 880 kg/m3, para agrega- dos graúdos. Resistência à compressão Massa específica aparente (kg/m3) aos 28 dias (MPa) (Valores máximos) (Valores mínimos) 28 1840 21 1760 17 1680 Tabela 2. Valores correspondentes de resistência à compressão e massa específica para concreto leve estrutural. Fonte: NM 35, 1995.
  17. 17. Além dos valores de massa específica aparente, outros parâmetros podem ser utilizados para classificar o concreto leve estrutural, como o Fator de Eficiência (FE), que relaciona o valor de resistência à compressão e de massa específica aparente do concreto (Equação 1). Fator de eficiência = fc / y (MPa.dm3/kg) (1) Em que: fc = resistência à compressão (MPa); y = massa específica aparente (kg/dm3). De acordo com Spitzner (1994) e Armelin et al. (1994), é considerado con- creto leve de alto desempenho um concreto com fator de eficiência acima de 25 MPa.dm3Ag. Esse valor limite foi obtido tendo como referência um concreto com agregados convencionais, com resistência à compressão de 60 MPa e massa espe- cífica de 2400 kg/m3, classificado por Spitzner (1994) como de alta resistência. Assim, considera-se concreto leve de alto desempenho, por exemplo, um concreto com resistência à compressão de 30 MPa, desde que sua massa específica seja inferior a 1200 kg/m3. 1.2 Panorama histórico do concreto leve 1.2.1 Resgate histórico A primeira indicação conhecida da aplicação dos concretos com agregados leves data de aproximadamente 1100 a.C., quando construtores pré-colombianos, originários da região da atual cidade de El Tajin, localizada no México, utilizaram uma mistura de pedra-pomes com um ligante à base de cinzas vulcânicas e cal para a construção de elementos estruturais. A despeito desses registros, as aplicações históricas mais conhecidas dos con- cretos com agregados leves foram construídas pelos romanos, durante a República Romana, o Império Romano e o Império Bizantino1, destacando-se, na Itália, o Porto de Cosa, a cobertura do Panteão e o Coliseu de Roma. Os romanos, com a 1 "República Romano": período compreendido entre 5 0 9 a.C. e 27 a.C.; "Império Romano": período entre 27 a.C. a 4 7 6 d.C.; e "Império Bizantino": período entre 4 7 6 d.C. e 1453 d.C.
  18. 18. intenção de reduzir as cargas nas estruturas, utilizaram concretos que combinavam aglomerante à base de cal e rochas vulcânicas (ACI 213R-03, 2003). No Porto de Cosa (Figura 2), por exemplo, construído em 273 a.C., a 140 km de Roma, foi utilizado concreto com agregados leves de origem vulcânica na execução de quatro estruturas para atracação de embarcações. Por dois mil anos essas estruturas resistiram às ações da natureza, apresentando apenas sinais de abrasão na superfície, de forma que elas apenas deixaram de ser utilizadas em função do assoreamento do porto (McCann et a/., 1987). No Coliseu de Roma (Figura 3), anfiteatro para 50 mil espectadores construído entre os anos 75 e 80 a.C., também foi utilizado concreto com agregados leves — mais especificamente, na estrutura de fundação e em diversas paredes. Figura 2. Porto de Cosa, Itália. Figura 3. Coliseu de Roma. Fonte: McCann etal., 1987. Fonte: Shutterstock/David Peta Outro exemplo é a cobertura do Panteão de Roma, cúpula abobadada com 44 m de diâmetro. Após ter sido destruída por um incêndio, o imperador Adriano decidiu, em 125 d.C., por sua reconstrução utilizando concreto com pedra-pomes. Visando melhorar seu desempenho estrutural, o projeto da nova cúpula apresentava algumas inovações, como valores variáveis de espessura e de massa específica do concreto (maiores na base e menores no topo), conforme Figura 4 (ACI 213R-03, 2003). A cúpula ainda hoje se encontra em perfeito estado de conservação. A aplicação de concreto leve pelos romanos também pode ser observada no símbolo religioso máximo do Império Romano do Oriente, a Catedral de Santa Sofia em Istambul (Figura 5). Construída durante o Império Bizantino pelo Impera-
  19. 19. Figura 4. Ilustração da seção transversal da cúpula do Panteão de Roma.2 dor Justiniano, no período compreendido entre 532 e 537 d.C., a catedral foi projetada pelo arquiteto Isidoro de Mileto e pelo matemático Antêmio de Traias (Chandra; Berntsson, 2002). Após a queda do Império Romano, o uso de concreto com agregados leves foi limitado até o início do século XX, quando se iniciou a produção de agregados leves artificiais. Figura 5. Catedral de Santa Sofia em Istambul. Fonte: Shutíerstock/PavIeMarjanovic 2 Ilustração disponível em: http://pt.wikipedia.Org/wiki/Ficheiro:Pantheon.drowing.jpg. Acessado em setembro de 2009.
  20. 20. 1.2.2 Século X X Stephen J. Hayde, um engenheiro fabricante de tijolos cerâmicos da cidade de Kansas, nos Estados Unidos, foi o inventor do processo para obtenção de agregados expandidos. Hayde observou em sua fábrica que quando a etapa de aquecimento nos fornos ocorria mais rápido que o usual, os tijolos se transformavam em elementos expandidos, deformados e extremamente leves. O fabricante observou que se redu- zisse suas dimensões, esses "tijolos expandidos" poderiam ser usados como agrega- dos para produzir concreto leve com propriedades mecânicas semelhantes às do concreto convencional. Depois de quase uma década de experimentação, em 1918, Hayde patenteaou o processo de obtenção de agregados leves pelo aquecimento em forno rotativo de pequenas partículas de xisto, de argila e de ardósia, denominados Hoydite (ACI 213R-03, 2003). As primeiras aplicações dos agregados leves artificiais produzidos por Hayde em concreto de cimento Portland ocorreram logo em seguida, em 1918, durante a Primeira Guerra Mundial, quando a American Emergency Fleet Building Corporation construiu embarcações com concreto leve. Um exemplo dessas embarcações é o USS Selmo (Figura 6), com 123,3 m de comprimento. Lançado ao mar em 1919 nos Es- tados Unidos, a estrutura dessa embarcação utilizou cerca de 2000 m3 de concreto Figura 6. lançamento da embarcação USS Selma 1919. Fonte: Holm, 1980.
  21. 21. leve com argila expandida, com valores de resistência à compressão aos 28 dias de 38,5 MPa e de massa específica de 1905 kg/m3 (Chandra; Berntsson, 2002). É digno de nota que, na mesma época, o valor usual de resistência à compressão dos concretos convencionais era de 15 MPa. Um estudo realizado por Holm e Bremner (1994) demonstrou o excelente estado de conversação da estrutura dessa embarca- ção após 70 anos de exposição ao ambiente marinho. Durante a Primeira Guerra Mundial, foram construídas 14 embarcações com estrutura em concreto leve. Já durante a Segunda Guerra Mundial, o uso desse ma- terial em embarcações foi mais intenso: foram construídos 488 navios com concreto leve, o que permitiu grande economia de chapas de aço. Simultaneamente às primeiras aplicações dos concretos com agregados leves artificiais em embarcações, iniciaram-se nos Estados Unidos as pesquisas para apli- cação desse material na construção civil. A primeira aplicação estrutural de concreto leve (com agregados artificiais) em edificações ocorreu em 1922, no ginásio da Westport High School, na cidade de Kansas. A baixa capacidade de suporte do solo foi a motivação para o uso do concreto leve na estrutura para com isso reduzir os custos com a estrutura de fundação. Mesmo os agregados leves apresentando custo elevado em relação aos agregados convencionais, cerca de 150% na época, o uso desse material proporcionou a redução do custo geral da edificação (ESCSI, 1971). Já a primeira aplicação do concreto leve estrutural em edifícios de múltiplos pavimentos ocorreu em 1929, também na cidade de Kansas, na expansão do edifício de escritórios da Southwestern Bell Telephone Company (Figura 7). Esse edifício — construído inicialmente com 14 pavimentos, com estrutura em concreto convencional — foi projetado para receber mais oito pavimentos. No entanto, os projetistas verificaram que se fosse utilizado concreto leve na estrutura poderiam ser executados seis pavimentos adicionais, além dos oito já previstos. Assim, a estrutura dos últimos 14 pavimentos desse edifício foi executada em concreto leve com 25 MPa de resistência à compressão aos 28 dias. Ainda em 1929 foi finalizado o hotel Chase-Park Plaza, na cidade norte-ameri- cana de St. Louis, primeiro edifício de múltiplos pavimentos (28 andares) com estru- tura integralmente executada em concreto com agregados leves (Figura 8).
  22. 22. Figura 7. Edifício da Southwestern Bell Telephone Company, em Kansas, nos Estados Unidos. Fonte: ESCSI, 1971. Figura 8. Hotel Chase-Park Plaza, na cidade norte-americana de St. Louis. Fonte: ESCSI, 1971. Em meados da década de 1930, o concreto com agregados leves foi utilizado para a construção da pista superior da ponte na baía de San Francisco-Oakland (EUA), o que, segundo Mehta e Monteiro (2008), proporcionou uma economia em torno de três milhões de dólares em aço (Figura 9). A aplicação dos concretos estruturais leves ficou limitada aos Estados Unidos e ao Canadá até a patente de Hayde expirar, em 194ó. Nessa época, na Dinamarca, começou a funcionar a primeira fábrica de agregados leves em argila expandida — os LECA, sigla em inglês para Lightweight Expanded Clay Aggregates. O fim da licença obtida por Hayde e a reconstrução do pós-guerra ajudaram a disseminar a tecnologia dos concretos leves pelo mundo em aplicações que se beneficiavam da redução da massa específica do concreto, tais como: g f f i r M
  23. 23. • Edificações de múltiplos pavimentos: em locais com solo com baixa capa- cidade de suporte e com a finalidade de reduzir as solicitações estruturais ocasionadas pelo peso próprio; • Construções pré-fabricadas: com a finalidade de beneficiar o transporte e a montagem das peças; • Estruturas especiais, como estruturas flutuantes, pontes e coberturas de grandes vãos. Figura 9. Ponte na baía de San Francisco-Oakland: a) em fase de construção; e b) concluída, eml936.3 No Capítulo 6, apresentaremos algumas construções importantes que utilizaram concreto leve a partir desse período. A partir dos anos de 1970, com o aprimoramento da tecnologia dos concretos e com o desenvolvimento de novos materiais componentes, como os aditivos redutores de água e as adições pozolânicas, tornou-se mais fácil a obtenção de concretos com alta resistência mecânica e elevada durabilidade. Esses desenvolvimentos também foram aplicados aos concretos leves e, no início dos anos de 1990, Zhang e Gjorv (1991a) conseguiram superar a barreira dos 100 MPa de resistência à compressão (aos 28 dias) para concretos com agregados leves (argila expandida), com massa específica em torno de 1750 kg/m3 e consumo de cimento de 550 kg/m3. 3 Ilustrações disponíveis em: http://www.alamedainfo.com. Acessado em setembro de 2009.
  24. 24. Representando um importante marco na evolução da tecnologia dos concretos leves estruturais, em 1995 ocorreu, na Noruega, o I Simpósio Internacional sobre Concretos Estruturais com Agregados Leves, organizado pela Associação Norue- guesa de Concreto. Em 2000, também na Noruega, foi realizada a segunda edi- ção desse evento. Os anais desses simpósios são uma das fontes mais importantes de documentação sobre os concretos leves estruturais. Outra importante fonte de documentos sobre a ciência e tecnologia dos concre- tos leves estruturais são os relatórios do projeto europeu EuroLightCon (Economic Design and Construction with Lightweight Aggregate Concrete)4. Conduzido entre os anos de 1998 e 2000, esse projeto contou com a participação de importantes institutos de pesquisa, universidades e indústrias europeias, a exemplo da Founda- tion for Scientific and Industrial Research do Norwegian Institute of Technology (SINTEF), do Norwegian Institute of Technology, da ExClay International, da Delft University of Technology e do Icelandic Building Research Institute. 1.2.3 E no Brasil? No Brasil, em 1965, o Grupo Rabello, que então apresentava forte expressão no setor da construção civil brasileira, juntamente com a empresa Compact Enge- nharia Ltda., fundou a Construção Industrializada Nacional (Cinasa), com o obje- tivo de produzir elementos pré-fabricados em concreto armado para construção de habitações (Figura 10). A Cinasa iniciou suas operações em 1966, instalada na rua Naval, em Rudge Ramos, na divisa de São Paulo com São Bernardo do Campo (Figura 1 1), com capa- cidade inicial para produzir quatro unidades habitacionais pré-fabricadas por dia. Com o intuito de melhorar o desempenho do processo produtivo das unidades habitacionais, verificou-se a possibilidade de utilizar concreto leve nos elementos pré-fabricados, facilitando, assim, o transporte e a montagem das peças. Em vir- tude da ausência de fornecedores de agregados leves no Brasil, o Grupo Rabello 4 Parte desses relatórios pode ser encontrada no website SINTEF: http://www.sintef.no/bygg/se- ment/elcon. Acessado em setembro de 2009.
  25. 25. I ^ C l T i i Figura 10. Seqüência de montagem da habitação pré-fabricada produzida pela Cinasa Fonte: Vasconcelos, 2002.
  26. 26. decidiu implantar uma unidade de produção desse material. Essa nova empresa do Grupo, a Cinasita (da junção de Cinasa com /7a, que em tupi significa pedra, suge- rindo "a pedra da Cinasa"), iniciou a produção de argila expandida em 1968, com um volume mensal de produção de 7500 m3. O local escolhido foi o município de Jundiaí, a 60 km de São Paulo, em função da disponibilidade de argila piro- expansiva nessa região (Figura 12). 5 Figuras gentilmente cedidas pelo Eng. José Carlos S. Jovine.
  27. 27. Figura 12. Instalações da Cinasita em Jundiaí-SP.6 A Cinasa utilizou ativamente o concreto leve com argila expandida na produção das unidades habitacionais assim como na execução de elementos estruturais pré- fabricados de seções de variados formatos (I, Y, U, T e TT), que se tornaram o princi- pal produto da empresa (Figura 1 3), uma vez que a linha de produção de unidades habitacionais foi desativada alguns anos depois do início do seu funcionamento. Desde então, a argila expandida encontra aplicação em diversos setores da construção civil nacional. Com relação aos concretos estruturais, a maioria das aplicações desse agregado ocorre em elementos estruturais pré-fabricados e em estruturas de edificações de múltiplos pavimentos moldados in loco, em especial nas lajes. No Capítulo 6 serão apresentados alguns exemplos de aplicação dos concretos leves no Brasil, desde o início da produção de argila expandida até os dias atuais. Na evolução do desenvolvimento da tecnologia do concreto leve estrutural no Brasil, após o início da produção de argila expandida, merecem destaque as pesquisas desenvolvidas pela Professora Yasuko Tezuka, da Universidade de São 6 Figura gentilmente cedido pelo Eng. José Carlos S. Jovine.
  28. 28. Paulo, em especial sua dissertação de mestrado defendida em 1973 e intitulada "Concreto Leve à Base de Argila Expandida" (Tezuka, 1973). E digno de nota, também, o pioneirismo do engenheiro Augusto Carlos de Vasconcelos, pelos primeiros projetos estruturais empregando concreto com argila expandida brasileira, assim como pelo início da divulgação das implicações do uso desse agregado no projeto estrutural (Vasconcelos, 1973; 1976). Desde então, a tecnologia do concreto leve estrutural tem sido motivo de pesqui- sas em diversas universidades do Brasil. Uma das principais fontes de divulgação dessas pesquisas bem como de exemplos de aplicações do concreto leve no Brasil são os anais do Congresso Brasileiro do Concreto, evento realizado anualmente pelo Instituto Brasileiro do Concreto (IBRACON). Nessa evolução, merecem atenção especial os estudos sobre concretos leves de alta resistência com argila expandida realizados em meados dos anos de 1990 7 Figura gentilmente cedida pelo Eng. Augusto Carlos de Vasconcelos.
  29. 29. por Armelin et ai (1994) e por Evangelista et ai (1996), que apresentaram dosa- gens de concretos leves com valores notáveis de resistência à compressão. Também nesse período, sob a coordenação dos Professores Marcos Vinício Cos- ta Agnesini e Osny Pellegrino Ferreira, têm início diversas pesquisas sobre concretos estruturais de elevado desempenho com argila expandida no Laboratório de Cons- trução Civil (LCC) do Departamento de Arquitetura e Urbanismo da Escola de Enge- nharia de São Carlos (EESC), da Universidade de São Paulo. Parte dessas pesquisas foi realizada pelo autor deste livro, que atua nesse grupo desde 1999, e os principais resultados obtidos estão sistematizados aqui.
  30. 30. 2AGREGADO LEVE Quanto à origem/ os agregados leves podem ser classificados em naturais ou artificiais. Os agregados leves naturais são obtidos por meio da extração direta em ja- zidas, seguida de classificação granulométrica. Esse tipo de agregado leve tem pouca aplicação em concretos estruturais em função da grande variabilidade de suas propriedades e da localização e disponibilidade das jazidas. Como exem- plos, temos a pedra-pomes e o tufo vulcânico. Os agregados leves artificiais são obtidos em processos industriais e, normal- mente, são classificados com base na matéria-prima utilizada e no processo de fabricação, como a argila expandida e a escória sinterizada. 2.7 Processos de fabricação Os dois processos mais utilizados para a fabricação dos agregados leves arti- ficiais são a sinterizaçâo e o farno rotativa. No processo de sinterização, a maté- ria-prima é misturada com uma proporção adequada de combustível, podendo ser carvão finamente moído ou coque. Em seguida, submete-se esse material a altas temperaturas, utilizando uma grelha móvel, com conseqüente expansão, em função da formação de gases (Gomes Neto, 1998). Normalmente, o agregado obtido pelo processo de sinterização apresenta os poros abertos, sem recobrimento e com altos valores de absorção de água. Além
  31. 31. disso, o produto final desse processo é um clinquer muito irregular e de arestas "vivas", que exige britagem para atender a todas as graduações granulométricas necessárias para a produção dos concretos. Normalmente, os valores da massa específica desse tipo de agregado variam entre 650 kg/m3e 900 kg/m3. O processo de produção em forno rotativo, também denominado modulação, aproveita as características que determinados materiais têm de se expandirem, como algumas argilas, quando submetidos a temperaturas elevadas (entre 1000°C e 1350°C). Nessa faixa de temperatura, uma parte dos constituintes do material se funde gerando uma massa viscosa, enquanto a outra parte se decompõe quimica- mente liberando gases que são incorporados por essa massa, expandindo-a em até sete vezes seu volume inicial. Essa estrutura porosa se mantém após o resfriamento (Moraive et al., 2006). Além disso, esse processo de fabricação promove a forma- ção de uma camada vitrificada externa na partícula com baixa porosidade. Os agregados produzidos pelo processo de forno rotativo normalmente apre- sentam granulometria variada, formato arredondado regular e âmago formado por uma massa esponjosa microcelular, envolta por uma casca cerâmica vitrificada, resistente e com baixa permeabilidade. O agregado produzido por esse processo recebe também a denominação de "encapado", pois possui uma camada externa de material vítreo que diminui significativamente a absorção de água. A Figura 14 ilustra a diferença na estrutura interna e na porosidade da super- fície dos agregados produzidos pelos processos de sinterização e forno rotativo, respectivamente. De forma geral, o processo de fabricação da argila expandida em forno rota- tivo pode ser resumido em oito etapas, descritas por Santos et al. (1986): a) Homogeneização: a matéria-prima é lançada em depósitos para homo- geneização; b) Desintegração: o material é lançado em um desintegrador para reduzir os grandes torrões a um diâmetro máximo de 5 cm; c) Mistura e nova homogeneização: o material é transportado por meio de esteiras para um misturador com a finalidade de deixar a argila com a
  32. 32. Figura 14. Micrografia (MEVJ dos agregados produzidos pelos processos de sinterização (a) e forno rotativo (b). Fonte: Zhang; Gj4»rv, 1991b. trabalhabilidade adequada para extrusão. Nessa etapa é feita a correção de água e podem ser utilizados aditivos para melhorar a plasticidade da argila ou para aumentar sua expansão durante a queima; d) Laminação: nessa etapa o material passa por dois cilindros rotativos que elimi- na os torrões maiores que 5 mm, deixando a mistura pronta para extrusão; e) Pelotização: é realizada por extrusão contínua em que o material é força- do contra uma placa perfurada por orifícios circulares. O diâmetro desses orifícios influi diretamente no diâmetro dos agregados após a queima. O material que sai pelos orifícios é cortado por uma lâmina rotativa, forman- do, assim, as pelotas que são lançadas ao forno; f) Secagem e queima: considerada a parte mais importante do processo, ocorre dentro do forno rotativo. A disposição das aletas internas para con- dução do material, a inclinação do forno, o tempo de permanência dentro do forno, assim como outros detalhes específicos, dependem das caracte- rísticas da argila e devem ser estudados visando a maior economia do pro- cesso e do desempenho do produto. Na primeira fase, ocorre a secagem das pelotas. Na zona de combustão, o forno atinge a temperatura prevista
  33. 33. poro expansão das pelotas, geralmente entre 1000°C e 1350°C. Geral- mente o combustível é óleo ou gás; g) Resfriamento: geralmente é utilizado um cilindro, na saída do forno, no qual é soprado ar por ventiladores. O ar quente é reaproveitado no interior do forno; h) Classificação e estocagem final: os agregados leves são classificados em peneiras vibratórias e armazenados para comercialização. 2.2 Forma e textura superficial A forma e a textura superficial dos agregados leves influenciam algumas pro- priedades importantes dos concretos, como a resistência mecânica, por exemplo, pois estão relacionadas com a quantidade de água necessária para a obtenção da trabalhabilidade desejada. A textura e a forma das partículas dos agregados leves artificiais dependem, es- sencialmente, do processo de fabricação. Os agregados produzidos pelo processo de sinterização apresentam alta rugosidade, formas angulares e superfície porosa. Esse tipo de agregado proporciona boa aderência à pasta de cimento em função da rugosidade da superfície; entretanto, apresenta também altos valores de absorção de água em função da alta porosidade externa. Em decorrência da forma angular, esses agregados aumentam a quantidade de água da mistura para a obtenção da trabalhabilidade desejada (Zhang; Gj<t>rv, 1990; CEB/FIP, 1977). Outra desvantagem da utilização de agregados leves produzidos por sinteriza- ção é a possibilidade de penetração da pasta de cimento nos poros externos, que pode variar de 30 kg a 100 kg de cimento por m3 de concreto, aumentando, assim, o consumo de cimento e a massa específica do concreto (Figura 15). Por outro lado, os agregados produzidos em fornos rotativos, como as argilas expandidas, normalmente apresentam forma esférica e uma fina camada externa com baixa porosidade, possibilitando a obtenção de boa trabalhabilidade com baixas relações água/cimento. Entretanto, em função do formato esférico, esse tipo de agregado apresenta maior facilidade de segregação do que o produzido por sinterização (CEB/FIP, 1977).
  34. 34. Figura 15. Micrografia (MEV) ilustrando a entrada de pasta de cimento (C) nos poros externos de agregados leves produzidos por sinterização. Fonte: Zhang; Gftrv, 1992. Na maioria dos processos de fabricação de agregados leves, o diâmetro das partículas varia entre 1 mm e 25 mm, com valores de massa específica inversa- mente proporcional ao diâmetro. 2.3 Estrutura interna, resistência mecânica e módulo de deformação A redução da massa específica dos concretos leves estruturais se deve à uti- lização de agregados com baixos valores de massa específica. Como as matérias- primas dos agregados leves e dos agregados convencionais apresentam valores de massa específica da mesma ordem de grandeza, utiliza-se a inclusão de uma estrutura porosa no agregado para a redução desse índice físico, alterando-se, as- sim, a estrutura interna do agregado (CEB/FIP, 1977). A estrutura interna tem um efeito importante na resistência mecânica e no módu- lo de deformação dos agregados leves. Para a mesma matéria-prima e processo de fabricação, agregados com estrutura bastante porosa são menos resistentes que os agregados com estrutura pouco porosa. O tamanho e a distribuição dos poros tam- bém são decisivos na resistência mecânica dos agregados leves. Para um mesmo grau de porosidade, é interessante que haja uma distribuição uniforme de pequenos
  35. 35. poros, em vez de poucos poros de grande diâmetro. A redução da porosidade, em algumas áreas específicas, também influencia a resistência mecânica do agregado. Um exemplo é a argila expandida, em que a camada externa de baixa porosidade aumenta a resistência mecânica desse agregado (Holm; Bremner, 1994). O valor do módulo de deformação dos agregados leves pode ser estimado se- gundo a Equação 2 (FIP, 1983), que relaciona o módulo de deformação Ec (MPa) e a massa específica aparente y (kg/m3) do agregado leve. Segundo Holm e Bremner (1994), os valores do módulo de deformação dos agregados leves utilizados em concretos estruturais variam entre 10 GPa e 18 GPa. Ec = 0 , 0 0 8 . f (MPa) (2) Ainda de acordo com Holm e Bremner (1994), os agregados leves com baixa resistência mecânica têm pouca participação na transmissão das tensões internas no concreto. Assim, quanto maior for a diferença entre os valores do módulo de deformação do agregado e da pasta de cimento, maior será a diferença entre a re- sistência à compressão da pasta de cimento e do concreto. O aumento do módulo de deformação do agregado leve aumenta também os valores da resistência à compressão e o do módulo do concreto. 2.4 Porosidade e absorção de água As características de porosidade e absorção de água dos agregados leves afe- tam significativamente as propriedades dos concretos no estado fresco e o processo de hidratação do cimento. A velocidade e a quantidade de água absorvida pelos agregados leves dependem dos seguintes fatores: a) porosidade total; b) conectivi- dade entre os poros; c) características da superfície do agregado; e d) umidade do agregado antes da mistura (Neville, 1997; EuroLightCon, 1998). Outros fatores que podem influenciar a absorção de água dos agregados são os aditivos, a temperatura e, no caso de concreto bombeado, a respectiva pressão de bombeamento. A absorção de água dos agregados é proporcional à consistên- cia do concreto e pode aumentar com o uso de superplastificantes. A utilização de
  36. 36. agentes retardadores pode aumentar, também, a absorção de água dos agrega- dos, pois aumenta o tempo entre a mistura e o início do endurecimento do concreto. Quando se utiliza o concreto bombeado, o agregado absorve uma quantidade adicional de água em função das altas pressões utilizadas (CEB/FIP, 1977). Para agregados leves com altos valores de absorção de água, recomenda-se a pré-saturação para evitar prejuízo da trabalhabilidade do concreto no estado fres- co e evitar a formação de bolhas de ar ao redor do agregado, como apresentado na Figura 16. Vale salientar, contudo, que, apesar da pré-saturação dos agregados aumentar a absorção final de água dos agregados, observa-se a redução da ab- sorção de água após a mistura. Figura 16. Micrografia (MEV) ilustrando o acúmulo de bolhas de ar ao redor do agregado leve decorrente da elevada absorção de água após a mistura dos materiais. Fonte: Helland; Maage, 1995. A alta quantidade de água absorvida pelo agregado leve pode ser desfavorá- vel a algumas propriedades do concreto no estado endurecido, como o aumento da retração por secagem, o aumento da massa específica e a redução da resistência ao fogo. Entretanto, a absorção de água dos agregados leves apresenta alguns aspectos positivos, como a melhoria das propriedades da zona de transição entre o agregado e a pasta de cimento, com a redução do efeito parede. Além disso, a
  37. 37. águo absorvida pelo agregado leve beneficia a "cura interna" do concreto (Holm; Bremner, 1994; Zhang; Gj^rv, 1991b). A Tabela 3 apresenta os valores de absorção de água, assim como de outras características, de alguns agregados leves comerciais nacionais, europeus e norte- americanos. 2.5 Controle tecnológico Um conjunto de análises prévias deve anteceder a utilização do agregado leve em concretos estruturais. A NM 35 (1995) apresenta especificações para análise dos agregados e do concreto com os agregados. Com relação ao agregado, estão pre- vistas nessa norma as análises de composição granulométrica, de massa específica aparente e de teores de substâncias nocivas (materiais orgânicos e óxido de ferro). Já para o concreto com os agregados leves, a referida norma apresenta a especificação de análise para retração por secagem. Além dessas análises previstas na NM 35 (1995), outros estudos comple- mentares são importantes na caracterização dos agregados leves, a exemplo da análise de absorção de água, teor de cloretos e sulfatos e potencial reativo álcali- agregado. E possível obter procedimentos de ensaios para controle tecnológico dos agrega- dos leves, assim como para os concretos com esses agregados, no EuroLightCon (2000a) e na relação de normas constantes na Tabela 4. 2.6 Argila expandida brasileira A argila expandida é o único agregado leve produzido no Brasil. Esse agrega- do é produzido atualmente pela empresa Cinexpan Indústria e Comércio Ltda8 (Figura 17), na cidade de Várzea Paulista, localizada a 60 km da cidade de São Paulo. Atualmente, cerca de 60% da produção de argila expandida destina-se ao setor da construção civil nacional. Os outros 40% são absorvidos pelos setores de lavanderia (20%), paisagismo, refratários e demais aplicações, como substratos. 8 A empresa CINASITA encerrou suas atividades em Jundiaí-SP em 1999.
  38. 38. N o m e comercial Matéria-prima Fabricação lytag Inglaterra Holanda Cinzas volantes Solite EUA Folhelho Liopor Alemanha Leca Dinamarca Noruega Arlita Espanha Argila Cinexpan 0500 Cinexpon 1506 Brasil Cinexpan 2215 Sintetização Forno rotativo T a b e l a 3 . Características de alguns agregados leves comerciais. 1 , 3 - 2 . 1 M a s s a unitária (kg/dm3 ) 0,6- 1,1 Dimensão (mm) 0 , 5 - 1 9 1 5 - 2 0 1,4 0,6-1,8 0,6 - 1,8 1.4 1.5 1,1 0,6 0,8 0,3 - 0,9 0,3 - 0,9 0,8 0,9 0,6 0,5 4 - 1 6 2 - 1 9 0 , 5 - 1 6 1 - 10 0 - 4 , 8 6 , 3 - 1 2 , 5 1 2 , 5 - 1 9 15 1 1 - 1 7 1 1 - 3 0 13 10
  39. 39. o z r» 73 r n - * O r n País Especificação EUA • ACI 211.2-98. Standard Practice for Selecting Proportions for Slructural Lightweight Concrete, 2004 • ACI 213R-03. Guide for Structural Lightweight Aggregate Concrete, 2003 • ACI 318-08. Code Requirements for Structural Concrete and Commentary, 2008 • ACI 304.5R-91. Batching, Mixing, and Job Control of Lightweight Concrete, 1997 • A.CI SP-136. Structural Lightweight Aggregate Concrete Performance, 1992 • ASTM C330-05. Standard Specificotion for Lightweight Aggregates for Structural Concrete, 2 0 0 5 Europa • EUROCODE 2. Design of Concrete Structures, 2007 • NS 3420. Specificotion Texts for Building and Construction, 1992 • NS 3473. Concrete Structures. Design Rules, 1998 • NS 22. NCA Publ. NT22. Lightweight Aggregate Concrete. Specif. and Guidelines, 1999 • BS 3797. BS Specificotions for LWA for Masonry Units and Structural Concrete, 1990 • BS 8110. Structural Use of Concrete. Part 2, 1997 Japão • JASS 5. Reinforced Concrete Work, 2003 • JIS A 5002. Lightweight Aggregates for Structural Concrete 1978 (revised 1999) • JSCE Chapter 19. Lightweight Aggregate Concrete 1986 (revised 1996) Tabela 4. lista de aguns documentos normativos sobre agregados leves e sobre concreto com agregados leves.
  40. 40. Figura 17. Fábrica de argila expandida Cinexpan em Várzea Paulista, São Paulo. A produção da argila expandida ocorre em forno rotativo (Figura 1 89), utilizan- do temperaturas médias de 1 100°C e argila com características piro-expansivas extraída no município de Jundiaí, vizinho à Várzea Paulista. Conseqüência desse processo de fabricação, o agregado apresenta formato arredondado regular e núcleo esponjoso, envolto por uma camada vitrificada, com baixa permeabilidade, como pode ser observado nas micrografias apresentadas nas Figuras 19 e 20. Figura 18. Forno rotativo para produção de argila expandida da empresa Cinexpan em Várzea Paulista, São Paulo. 9 As Figuras 17 e 1 8 foram gentilmente cedidas por Frederico G. Nivoloni, da Cinexpan I.C. Ltda.
  41. 41. A Figura 21 apresenta o difratograma de raios-X do agregado leve com a identificação dos compostos representativos. A Tabela 5 apresenta o resultado da análise química do agregado leve, em que se observa predominância dos elemen- tos sílica, alumínio e ferro na composição da argila expandida. Figura 19. Aspecto do estrutura interna dos Figura 2 0 . Aspecto da estrutura interna agregados leves (MEV • micrografia no modo dos agregados leves (Microscopia ótica de elétrons secundários com ampliação de 300x). transmissão com ampliação de 200x). Fonte: Rossignolo, 2003. Fonte: Rossignolo, 2003. 1CC0 SCO v> a. u — 600 <uTJO « s Ü 400 :co o 20 25 30 ^ 35 40 45 50 55 60 Ângulo 20 Co K« Figura 2 1 . Difratograma de raios-X da argila expandida brasileira. A • Akermanile (CciV.çjSi^O?) D • Diópsicb |C<iV^jSÍ2061 E • Enskitile (VKJSÍOJI Ejp • Espinob (McyvfeOj H - Henriilci (FejO^ Mcçj - Mqgnetiki (FegOj O -OliviiKi IVKJBSÍOV r - Pl:»jio:l:i» (CaAhSijO^ Q-Qucirlzo
  42. 42. Os agregados são produzidos em diversas faixas granulométricas para atender a construção civil, a indústria têxtil e o setor de jardinagem. Os agregados usual- mente empregados em concretos estruturais são os denominados comercialmente de Cinexpan 0 5 0 0 [ 0 ^ = 4,8 mm), Cinexpan 1506 [ 0 ^ = 12,5 mm) e Cinexpan 2215 (Dnox= 19,0 mm), conforme Figura 22. As Tabelas 6, 7 e 8 apresentam, respectivamente, as composições granulomé- tricas, os valores de absorção de água (determinados pelo método proposto por Tezuka, 1973) e os valores de algumas características e propriedades dos três tipos de argila expandida usualmente empregados em concretos estruturais. Vale salien- tar que os valores apresentados nessas tabelas são apenas indicativos e podem apresentar alterações em função das especificidades dos lotes produzidos. Composto % Si02 62,3 A I A 17,7 Fe203 10,3 MgO 2,8 K2O 4,1 TiO, 1,0 Na20 0,3 CaO 0,4 PF 0,7 Tabela 5. Análise química da argila expandida brasileira.
  43. 43. Figura 2 2 . Aspecto de orgilo expandida brasileira produzido pela empresa Cinexpan: a) Cinexpan 0500; b) Cinexpan 1506; e c) Cinexpan 2215.
  44. 44. £ E »J i «O s? C O O O K K O- O 0 è S i l i 1 IO s? CO IO CO N o ° i 0 0 1 2s <S O o i =< 8. C N O CN C N CO CN o" 00 o CN o CO 00 o CO o O- CN CN o o o o o C N -st — o o oo Tf C N CN O —" o" o o o o C N CN CO o" o o V o _ o D 70 d) E - o CN IN. acCO z o •T3C O CL X a> O) o o "o oy c -a> E _o C O O) o IO v> a E o U «ô _o © - f l
  45. 45. Tempo Absorção de Água (%) (em massa) Cinexpan 0 5 0 0 Cinexpan 1506 Cinexpan 2 2 1 5 3 0 min 1/8 2 , 7 4 , 0 1 hora 2 , 7 3 , 5 5 , 0 1 dia 6 , 0 7 , 0 10,3 Tabela 7. Absorção de água da argila expandida. Características/ Propriedades Cinexpan 0 5 0 0 Cinexpan 1506 Cinexpan 2 2 1 5 Massa específica (kg/dm3)(NBR 9937) 1,51 1,11 0 , 6 4 Massa unitária no estado seco e solto (kg/dm3) (NBR 7251) 0 , 8 6 0 , 5 9 0 , 4 7 Módulo de deformação (GPa)10 18,2 9 , 9 3 , 3 Resistência à compressão por esmagamento (MPa) (CEN prEN 13055-1, 2002) 2 0 , 5 1 2 , 7 8 , 4 Tabela 8. Características e propriedades da argila expandida. 10 Valor estimado ulilizando a equação 2 (FIP, 1983).
  46. 46. 3DOSAGEM E PRODUÇÃO/ DO CONCRETO LEVE Este capítulo tem COÍtlO objetivo apresentar as principais especifici- dades da dosagem e da produção de concreto com agregados leves, com atenção especial para a dosagem, a determinação do valor da relação a/c efetiva, a traba- Ihabilidade, o transporte, o lançamento, o adensamento e a cura. 3.1 Dosagem e relação água/cimento efetiva De forma geral, os métodos utilizados para dosagem dos concretos conven- cionais podem ser aplicados para os concretos com agregados leves. No entanto, quatro fatores adicionais devem ser considerados: a) A necessidade de projetar um concreto com massa específica particular; b) A absorção de água dos agregados leves; c) A variação da massa específica do agregado leve em função de sua dimensão; d) A influência das características dos agregados leves nas propriedades dos concretos. Procedimentos específicos para dosagem dos concretos com agregados leves são descritos em CEB/FIP (1977), FIP (1983), EuroLightCon (2000b) e ACI 211.2-98 (2004). Esse último documento apresenta dois métodos de dosagem para concretos leves. O primeiro, denominado "método da massa", é indicado para concretos com
  47. 47. agregados miúdos com massa específica normal e agregados graúdos leves. Por sua vez, o segundo, chamado de "método volumétrico", é recomendado para concretos com agregados leves graúdos e miúdos. De modo geral, os documentos normativos internacionais11 indicam a utilização de consumos de cimento acima de 300 kg/m3 para assegurar os níveis mínimos de trabalhabilidade, de proteção à armadura e de ancoragem da armadura ao concreto com agregados leves. Dosagens otimizadas de concretos leves podem ser obtidas com a utilização conjunta de agregado graúdo leve e agregado miúdo convencional. O ajuste granu- lométrico desses dois tipos de agregados, utilizando o agregado miúdo com dimen- são máxima igual à dimensão mínima do agregado graúdo, possibilita o aumento da coesão, a redução da segregação e o aumento da resistência à compressão do concreto, em relação aos concretos com agregado miúdo leve. Em contrapartida, a utilização de agregados miúdos convencionais ocasiona o aumento da massa espe- cífica do concreto, em comparação com o agregado miúdo leve. Assim como para os concretos convencionais, podem ser utilizados aditivos e adições minerais para modificação de algumas propriedades e características dos concretos leves estruturais. No entanto, para o caso dos aditivos líquidos, como os redutores de água, é importante considerar a absorção de água dos agregados, quando utilizados sem saturação prévia. Nesses casos, os agregados absorvem parte do aditivo disponível na pasta, reduzindo, assim, sua atuação. Uma forma de minimizar esse efeito é introduzir o aditivo após a mistura dos materiais, momentos antes da aplicação do concreto. Um ponto importante do processo de dosagem dos concretos leves é a definição da relação água/cimento efetiva, em função da absorção de água dos agregados. No caso dos concretos com agregados convencionais, a quantidade de água dis- ponível para a hidratação do cimento é definida no momento da mistura dos ma- teriais. Com isso, a água presente nos agregados deve ser descontada da água a ser adicionada no momento da mistura. 1 1 Esses documentos normativos são apresentados na Tabela 4 do Capítulo 2.
  48. 48. No coso dos agregados leves, deve ser considerada a água absorvida pelos agregados leves, após a preparação do concreto. Esse fenômeno pode ser elimi- nado com a pré-saturação dos agregados; entretanto, aumenta relativamente os custos de produção do concreto. O procedimento mais comum é acrescentar à mis- tura a quantidade de água que será absorvida pelo agregado, mantendo, assim, a relação água/cimento constante (Rossignolo; Agnesini, 2000). Segundo EuroLightCon (1998) e Tezuka (1973), é possível estimar a quanti- dade de água que será absorvida pelos agregados leves por meio de sua imersão em água. Para concretos com relação a/c em torno de 0,4 e abatimento do tronco de cone entre 100 mm e 200 mm, é possível adotar o valor de absorção de água dos agregados após uma hora de imersão como referência para determinação da quantidade de água a ser adicionada no momento da mistura. Por motivos práti- cos, esse procedimento é utilizado também para concretos leves com características diferentes das especificadas anteriormente. No caso específico da argila expandida brasileira, os estudos apresentados por Rossignolo (2003) indicaram que esse procedimento de estimativa da absor- ção de água dos agregados apresentou bons resultados. Nesse mesmo estudo, é disponibilizado um exemplo de roteiro prático de dosagem de concretos estruturais, totalmente experimental, utilizando argila expandida brasileira. 3.2 Mistura e teor de umidade dos agregados Na mistura dos materiais em equipamentos com eixo inclinado, no início da mis- tura, os agregados leves graúdos apresentam segregação, com tendência de sair do misturador — problema esse atenuado após algum tempo de mistura. No misturador vertical, preferível segundo o CEB/FIP (1977), esse problema não ocorre. Se o concreto for produzido com agregados leves com baixa absorção de água, valores abaixo de 10%, em massa, após 24 horas de imersão, na maioria das vezes, pode ser empregado o método de mistura utilizado para os concretos convencionais e utilizados os agregados sem saturação prévia. Alguns tipos de agregados leves, mesmo com valores de absorção de água abaixo de 10% após 24 horas de imersão, apresentam alta absorção de água nos primeiros minutos, seguido de estabilização.
  49. 49. Nesses casos, juntamente no misturador, devem ser adicionados os materiais sólidos e a água, seguidos dos agregados leves (Holm; Bremner, 2000). Se, diferentemente do descrito acima, o agregado leve utilizado apresentar altos valores de absorção de água após 24 horas de imersão, acima de 10%, em massa, é recomendada a pré-saturação. Caso contrário, poderá ser comprometida a trabalhabilidade adequada do material durante o lançamento (Holm e Bremner, 2000; Zhang e Gforv, 1991a). Para concretos com argila expandida brasileira, que apresenta valores de ab- sorção de água abaixo de 10% após 24 horas de imersão, foram observados melhores resultados de manutenção da trabalhabilidade após a mistura, adiciona- ndo os materiais sólidos juntos com a água no misturador e, após uma pré-mistura, incluindo os agregados leves (Rossignolo; Agnesini, 2000). 3.3 Trabalhabilidade A faixa de variação dos valores de abatimento dos concretos leves é, normal- mente, menor que a utilizada para os concretos convencionais, tendo a absorção de água dos agregados grande influência na manutenção da trabalhabilidade do concreto após a mistura. Durante o processo de determinação dos valores de abatimento para os con- cretos leves, deve ser considerado o valor da massa específica do agregado leve. No caso do abatimento do tronco de cone (NM 67, 1998), os concretos leves apre- sentam valores de abatimento menores que os obtidos para os concretos convencio- nais, devido essencialmente à menor deformação do concreto leve pela ação da gravidade (Figura 23). Com isso, concretos leves com abatimento de 80 mm, por exemplo, podem apresentar trabalhabilidade similar à dos concretos convencionais com abatimento de 100 mm. Além do abatimento do tronco de cone, o espalhamento do tronco de cone (NM 68, 1998) é uma forma de análise adequada para avaliar a trabalhabilidade dos concretos leves. Como esse método insere energia para avaliar a deformação do concreto, com o movimento (levantamento e queda) repetido da plataforma (Figura 24), os valores obtidos para os concretos leves se aproximam mais dos obtidos para os concretos convencionais (Rossignolo; Agnesini, 2000).
  50. 50. Figura 2 4 . Ilustrações da análise do espalhamenfo do tronco de cone de con- creto segundo a NM 68 (1998). Fonte: Rossignolo, 2003. 3.4 Transporte, lançamento e adensamento No transporte dos concretos leves, deve ser considerada a tendência à segre- gação, fenômeno denominado "flutuação", em função dos baixos valores da mas- sa específica dos agregados. Esse fenômeno pode ser evitado ou reduzido com a dosagem de concretos com coesão e consistência adequados, controlando-se
  51. 51. a relação água/cimento e o teor dos agregados miúdos e com a utilização de adições minerais, como a sílica ativa. Para o bombeamento do concreto leve, a umidade e a granulometria dos agregados leves assumem grande importância, pois o aumento da pressão hidros- tática no concreto contribui para a entrada de água nos agregados. Nesse caso, a pré-saturação do agregado leve é importante para prevenir a perda brusca de trabalhabilidade no estado fresco, que pode provocar o entupimento dos dutos durante o lançamento. Em casos específicos, como bombeamento em alturas ele- vadas, pode ser necessário realizar a pré-saturação dos agregados em câmara hiperbárica (EuroLightCon, 2000c). Um exemplo desse procedimento foi observado durante a construção do edifício Nations Bank, nos Estados Unidos, em 1994, em que a altura de bombeamento do concreto chegou a aproximadamente 250 m. Em decorrência dos menores valores da massa específica dos concretos leves, os esforços transmitidos às formas, durante o lançamento, são inferiores aos observados para os concretos convencionais. Em contrapartida, deve ser considerado o aumento dos esforços e deformações nas formas durante o adensamento, pois normalmente os concretos leves exigem maior energia de vibração que os concretos convencionais. Normalmente, para os concretos leves, podem ser adotadas as técnicas usuais de adensamento; entretanto, esses concretos exigem uma energia maior de vibração, quando comparados com os concretos convencionais. No caso específico dos vibra- dores de imersão, o raio de ação pode ser adotado como a metade do valor dos utilizados nos concretos convencionais (CEB/FIP, 1977; Holm e Bremner, 2000). Outro fator importante no controle da segregação dos agregados leves é a freqüência de vibração, sendo recomendada a utilização de vibradores com baixa freqüência de vibração, como pode ser observado na Figura 25. O correto adensamento dos concretos leves mostra-se importante, também, para evitar a formação de vazios ao redor do agregado leve, como na ilustração apresentada na Figura 16 do Capítulo 2. 3.5 Procedimentos de cura Os mesmos procedimentos de cura dos concretos convencionais podem ser adotados nos concretos com agregados leves, tomando-se cuidados especiais com
  52. 52. Figura 2 5 . Efeito do freqüência de vibração durante o adensamento na "flutua- ção" dos agregados leves. Fonte: Vieira, 2000. o controle da temperatura do concreto (Rossignolo; Agnesini, 2001 a). O calor libe- rado durante o processo de hidratação do cimento acarreta uma elevação maior na temperatura dos concretos leves do que nos concretos convencionais, em função da baixa condutividade térmica dos agregados leves. Para evitar a formação de fissuras térmicas, em ambientes com baixas temperaturas, recomenda-se protelar a retirada das formas ou cobrir o concreto com mantas isolantes. Quando for uti- lizado o processo de cura térmica, deve ser adotado um período maior de cura ou uma velocidade de elevação de temperatura menor (EuroLightCon, 1998). Por outro lado, o agregado leve beneficia o processo de hidratação do cimento, pois, durante o processo de mistura dos materiais, retém uma parcela de água, que será transferida para a pasta de cimento ao longo do período de hidratação, ga- rantindo, assim, a presença de parte da água necessária para as reações químicas desse processo, com pouca influência das condições ambientais externas. Esse fenô- meno, denominado "cura interna", segundo Al-Khaiat e Haque (1998), torna os con- cretos leves menos sensíveis às variações do processo de cura nas idades iniciais.
  53. 53. 4PROPRIEDADES DO CONCRETO LEVE As propriedades dos concretos de cimento Portland estão direta- mente relacionadas com o desempenho de suas fases constituintes assim como da ligação entre elas, característica intrínseca aos materiais heterogêneos. Como os agregados usualmente representam mais de 50% do volume dos concretos conven- cionais, sua substituição por agregados leves promove alterações consideráveis nas propriedades dos concretos, que dependem, essencialmente, das características desses novos agregados. Neste capítulo serão abordadas essas alterações em algu- mas das propriedades do concreto estrutural com argila expandida brasileira. 4.7 Resistência à compressão e massa especifica A resistência à compressão, a massa específica e a relação entre essas duas propriedades (denominada Fator de Eficiência12) são os parâmetros mais utilizados na caracterização dos concretos leves estruturais, estando diretamente relaciona- dos com o tipo e a granulometria do agregado leve utilizado. No presente estado da arte, 102 MPa representa um marco no valor da re- sistência à compressão para concretos com agregados leves. Esse valor foi obtido por Zhang e Gj<|>rv (1991a) para concretos leves com massa específica de 1735 kg/m3 e consumo de cimento de 550 kg/m3, o que representa um fator de eficiên- 12 Equação 1 apresentada no Capítulo 1.
  54. 54. cia de 58,7 MPa.dm3/kg, similar ao de um concreto com agregados convencionais com valor de resistência à compressão igual a 140 MPa. No Brasil, o maior valor registrado de resistência à compressão de concreto com argila expandida é de 73 MPa, apresentado por Gomes Neto (1998) em concretos com massa específica de 1720 kg/m3. Entretanto, esse valor foi obtido em uma mis- tura com consumo de cimento de 1200 kg/m3 e agregado com dimensão máxima característica de 6,3 mm. De fato, a argila expandida brasileira tem-se mostrado viável economicamente em concretos com resistência à compressão abaixo de 50 MPa, para valores de massa específica do concreto entre 1400 kg/m3 e 1800 kg/m3, como pode ser observado nos dados apresentados na Figura 26. Figura 2 6 . Relação entre resistência à compressão e massa específica do concreto leve com argila expandida brasileira. Quanto à evolução dos valores de resistência à compressão, os concretos leves apresentam estabilização dos valores finais de resistência à compressão mais rapi- damente que os concretos convencionais. Após os 28 dias de idade, os concretos leves apresentam baixa elevação dos valores de resistência à compressão, em comparação com os concretos convencionais (EuroLightCon, 1998; Rossignolo; Agnesini, 2002; Rossignolo etal., 2003). 60 i ROSSIGNOLO 20 1400 1500 1600 1700 1800 Massa específica do concreto leve (kg/m3)
  55. 55. Em um modelo simplificado, pode-se afirmar que nos concretos com agregados convencionais, como a brita basáltica, normalmente o valor do módulo de deforma- ção do agregado é maior que o da argamassa, ocasionando, assim, a ruptura do concreto, normalmente iniciada na zona de transição, e a separação entre as fases, resultando uma linha de fratura ao redor do agregado (Figura 27). Nesse caso, o agregado é a fase mais resistente e os fatores limitantes do valor da resistência do concreto à compressão são a argamassa e a zona de transição pasta-agregado. No caso do concreto com agregados leves, como a argila expandida, utiliza-se mais eficientemente a resistência mecânica potencial da argamassa em função da maior similaridade entre os valores do módulo de deformação do agregado e da argamassa e da melhor qualidade da zona de transição pasta-agregado. Nesse tipo de concreto, a ruptura normalmente não ocorre devido à diferença entre as deformações dos agregados e da pasta de cimento, mas devido ao colapso da argamassa, muitas vezes com origem em microfissuras nos agregados, e a linha de fratura atravessa os agregados, como ocorre nos concretos de alta resistência com agregados convencionais (Figura 27). Figura 2 7 . Ilustração da forma de ruptura dos concretos com agregados leves (à esquerda) e com agregados convencionais - basalto (à direita). Fonte: Rossignolo; Agnesini, 2005a.
  56. 56. De acordo com o conceito de "resistência ótima", a relação entre a resistência do concreto leve e da argamassa pode ser descrita em duas fases (Figura 28). A condição correspondente à primeira fase é similar ao comportamento do concreto com agregados convencionais, em que a resistência do concreto é determinada principalmente pela re- sistência da argamassa. Na segunda fase, o módulo de deformação do agregado leve é menor que o da argamassa e, com isso, a resistência do concreto leve é controlada pela resistência do agregado. Essas duas tendências distintas do comportamento da resistência à compressão do concreto, em relação à resistência da argamassa, indicam a mudança no tipo de distribuição interna das tensões, e o valor da resistência à com- pressão do concreto leve no ponto em que ocorre essa mudança pode ser denominado "resistência ótima" (f) (AYtcin 2000; Rossignolo; Pereira, 2005). Resistência à compressão da argamassa Figura 2 8 . Ilustração do comportamento dos valores de resistência à com- pressão do concreto com agregados leves em relação à resistência à compressão da argamassa. Fonte: Rossignolo; Pereira, 2005. Como resultado, o agregado leve mostra-se o material determinante na resistência à compressão do concreto, de forma que acima de um certo limite, denominado "re- sistência ótima", o aumento da resistência à compressão da argamassa já não contribui efetivamente para o aumento da resistência à compressão do concreto (Zhang, Gj^rv, 1991a; Chen et ai, 1999; Rossignolo et al., 2003; Rossignolo; Pereira, 2005). o «o 2
  57. 57. Esse fenômeno pode ser observado nos resultados apresentados na Figura 29, que ilustra a evolução dos valores da resistência à compressão da argamassa e dos concretos com argila expandida e com brita basáltica. Com exceção dos agrega- dos, os concretos foram produzidos com as mesmas características de dosagem (Rossignolo; Pereira, 2005). 5 0 o (DM a> o* a 8 5 'O £ .5 c v O c u o -o VI 0) oé 4 5 4 0 35 3 0 25 20 15 10 »Brita basáltica OArgila expandida Dma. = 19mm 10 15 2 0 25 3 0 35 4 0 4 5 5 0 Resistência à compressão da argamassa (MPa) 5 5 Figura 2 9 . Relação entre a resistência à compressão da argamassa e dos concretos com argila expandida e com brita basáltica. Fonte: Rossignolo; Pereira, 2005. O conceito de "resistência ótima" (f) pode contribuir significativamente para otimizar a dosagem de concretos com agregados leves, pois concretos projetados para atingir valores de resistência à compressão acima desse valor apresentam elevados valores de consumo de cimento. Como evidencia a Figura 30, a partir do valor de "resistência ótima", o aumento do consumo de aglomerante do concreto leve não promove a mesma melhoria no desempenho da resistência à compressão observada na região anterior a esse ponto. Assim, esse efeito deve ser considerado no momento da escolha do agregado leve para a dosagem dos concretos, preferencialmente realizando uma análise da "re- sistência ótima" da dosagem para determinar a dimensão ideal do agregado para os parâmetros de dosagem em questão. Esse procedimento resulta na obtenção de
  58. 58. traços de concreto leve mais eficientes e com menor consumo de aglomerante. A Figura 30 ilustra, ainda, a influência da dimensão máxima característica (Dmóx) da argila expandida no valor da "resistência ótima" do concreto leve. Consumo de aglomerante ( k g / m 3 ) Figura 3 0 . Relação entre resistência à compressão aos 28 dias e o consumo de cimento do concreto leve. Fonte: Rossignolo; Oliveira, 2007. Nos concretos leves estruturais, a dimensão e a granulometria dos agregados têm mais influência nos valores da massa específica e da resistência à compressão do que, comparativamente, nos concretos convencionais (conforme as Figuras 31 e 32). Isso porque os valores da massa específica e da resistência à compressão dos agregados leves, como é o caso da argila expandida brasileira, são inversamente proporcionais a sua dimensão. A relação entre os valores de resistência à compressão e massa específica, denominada Fator de Eficiência (FE),13 é um parâmetro importante no desenvolvi- mento de projetos estruturais, especialmente naqueles em que o peso da estrutura tem bastante influência nas cargas permanentes, como as pontes de grandes vãos, em que esse valor chega a 70%. De forma geral, os concretos com agregados leves apresentam valores de FE superiores aos obtidos para os concretos convencionais, em condições similares de dosagem. A Figura 33 ilustra o efeito da redução do 13 Equação 1 apresentada no Capítulo 1.
  59. 59. 0 45 i 0 'O S 4 0 - a» õ^ 25 • 20 10 12 14 16 20 Dimensão máxima característica da argila expandida (mm) Figura 3 1 . Relação entre resistência à compressão do concreto leve e a dimensão máxima característica do agregado leve brasileiro. Fontes: Rossignolo et al., 2003; Rossignolo; Oliveira, 2007. 10 -1 1450 1500 1550 1600 1650 1700 1750 M a s s a Específica Seca ( k g / m 3 ) Figura 3 2 . Relação entre a resistência à compressão aos 28 dias e a massa especifica do concreto leve. Fonte: Rossignolo; Oliveira, 2007. valor da massa específica do concreto nos valores do FE, com a substituição do agregado convencional por argila expandida. Mesmo o agregado leve sendo a fase limitante da resistência à compressão do concreto, o aprimoramento da qualidade da pasta cimentícia com o uso de aditivos e de adições resulta em melhorias consideráveis no desempenho dessa o 35 n • + 7 4 Dmax 12,5mm O Dmax 19mm
  60. 60. Massa específica aparente do concreto (kg/m3) Figura 3 3 . Relação entre o fator de eficiência e a massa específica do concreto leve. Fonte: Sacht; Rossignolo; Santos; 2007. propriedade (Rossignolo; Paulon; Agnesini, 2001; Rossignolo; Agnesini, 2002; Rossignolo, 2003; Rossignolo etal., 2003; Rossignolo; Oliveira, 2007). 4.2 Resistência à tração Os valores da resistência à tração dos concretos leves, tanto na compressão diametral como na flexão, são inferiores aos observados nos concretos com massa específica normal, para o mesmo nível de resistência à compressão. Esse fato deve ser atribuído ao elevado volume de vazios dos agregados leves, que pode chegar a 50% do volume total no caso das argilas expandidas. Para o caso específico dos concretos produzidos com a argila expandida brasileira, observam-se valores de resistência à tração por compressão diametral variando entre 6% e 9% da resistência à compressão. Já os valores de resistência à tração na Hexão variam entre 8% e 1 1 % da resistência à compressão (Tezuka, 1973; Evangelista etal., 1996; Gomes Neto, 1998; Rossignolo; Agnesini, 2002; Rossignolo; Oliveira, 2007). A Tabela 9 apresenta algumas expressões para a estimativa dos valores das resistências à tração por compressão diametral e na flexão dos concretos leves em função da resistência à compressão. Segundo os estudos apresentados por Ros-
  61. 61. Referência Resistência à tração (MPa) ObservaçõesReferência Compressão diametral (f!D) Flexão (f<IM) Observações Slate et al. (1986) 0,42.fc 0 5 Õ;54íc 0 5 62 > fc > 21 MPa Zhang e OjcJ>rv (1991 a) 0,23.fco 067 0,73 V - 5 CEB/FIP (1977) 0,23.fw 067 0 , 4 6 4 067 ACI 318 (2008) 0,48.f 0 5 0,53.fç 0,5 Tabela 9. Relações entre a resistência à compressão e as resistências ã tração por compressão diametral e à tração na flexão dos concretos leves. f( = Resistência à compressão em corpos-de-prova cilíndricos (MPa). fcu = Resistência à compressão em corpos-de-prova cúbicos (MPa).
  62. 62. signolo (2003), dentre os expressões apresentadas na Tabela 9, a indicada pelo ACI 31 8 (2008) foi a que apresentou melhores resultados na estimativa dessas propriedades para concretos com argila expandida brasileira. 4.3 Módulo de deformação e curva tensão-deformação Assim como a maioria das propriedades dos concretos leves, o módulo de deforma- ção está diretamente relacionado com o tipo e com a quantidade de agregado leve uti- lizado. Quanto mais próximos forem os valores do módulo de deformação do agregado e da pasta de cimento, melhor será o comportamento do concreto no regime elástico. Como os agregados leves apresentam valores do módulo de deformação rela- tivamente baixos, os concretos leves apresentam valores de módulo de deformação inferiores aos observados para os concretos convencionais. Normalmente, o valor do módulo de deformação do concreto leve varia entre 50% e 80% do valor do módulo de deformação do concreto com massa específica normal, para valores de resistência à compressão variando entre 20 MPa e 50 MPa. Segundo Rossignolo (2005), essa relação também se aplica aos concretos com argila expandida brasileira. A Tabela 10 apresenta algumas expressões mencionadas em documentos nor- mativos que relacionam o valor do módulo de deformação do concreto leve com os respectivos valores de resistência à compressão e de massa específica. Nessa tabela encontra-se também uma expressão proposta por Rossignolo (2005) espe- cífica para concretos com argila expandida brasileira, resultado do ajustado da expressão indicada pelo ACI 318 (2008). Quanto ao desenvolvimento da curva tensão-deformação dos concretos com argila expandida brasileira, o trabalho desenvolvido por Rossignolo (2005) indica compor- tamento linear (elástico) até cerca de 80% do carregamento último (Figura 34). Nos concretos convencionais, esse valor é cerca de ó0%. Na curva tensão-deformação, com deformação controlada, Rossignolo (2003) observa que a parte ascendente da curva tensão-deformação dos concretos com argila expandida torna-se mais linear à medida que a resistência do concreto au- menta, enquanto a parte descendente da curva, após a ruptura, torna-se mais ín- greme (Figura 35), conforme modelo proposto por Carrasquilo et oi (1981).
  63. 63. O CL | O «O IA c .o 5 0 4 5 4 0 35 3 0 25 20 15 10 5 0 / ó3 dias / 7 dias L 0 1 2 (Deformação X I O 3) Figura 3 4 . Diagrama tensõo-deformaçõo de concretos com argila expandida brasileira. Fonte: Rossignolo, 2005. 4.4 Retração por secagem Para o mesmo nível de resistência à compressão, os concretos com agregados leves costumam apresentar valores de retração por secagem maiores que os ob- tidos nos concretos convencionais, uma vez que o agregado leve oferece baixa restrição à movimentação causada pela pasta de cimento. De acordo com Hoff (1991), os concretos com agregados leves apresentam valores de retração por secagem entre 500.10ó m/me 1000. IO6 m/m. No estudo realizado por Rossignolo e Agnesini (2001b) sobre concretos com ar- gila expandida brasileira, observam-se valores de retração por secagem aos 448 dias
  64. 64. 5 0 30 - tf 2 0 - o <0 o O. «A c 4 0 - 10 - 0 0 2 3 (Deformação XIO 3) Figura 3 5 . Diagrama tensão-deformaçõo, com deformação controlada, de concretos com argila expandida brasileira. Fonte: Rossignolo, 2003. variando entre 600.IO0 m/m e 800.10*m/m. Nesse estudo se apresenta, ainda, o efeito de diversos procedimentos de cura e da adição de polímeros modificadores no desenvolvimento da retração por secagem em concretos com agregados leves. A previsão do valor final da retração por secagem dos concretos leves pode ser realizada utilizando a formulação apresentada no ACI 209R-92 (1997). No estudo realizado por Rossignolo e Agnesini (2001 b), foi observado que os valores experimentais obtidos em concretos com argila expandida foram similares aos ob- tidos teoricamente utilizando a Equação 3 (ACI 209R-92, 1997), como pode ser observado na Figura 36. Nessa equação, S, representa o valor da retração por secagem (x 10*) aos / dias e Sult representa o valor final estimado para a retração por secagem (x IO-6).
  65. 65. Referência Equação* Observações Rossignolo (2005) Ec = 0,049 . Y1'5 . fc 0-5 [MPa] fc < 50 MPa ACI 318 (2008) Ec = 0,043 . Y1-5. fc 0-5 [MPa] fc < 41 MPa NS 3473 (1998) Ec = 9.5 . fcck 0-3. (Y / 240011-5 [GPa] fcck < 85 MPa BS 8110 Part.2 (1997) Ec = 1,7 . (y / 1000)2. M-3 [GPa] CEB (1978) Ec = 1,6 . Y2 • (fcck + 8) 0-33.10Ò [GPa] Tabela 10. Equações para cálculo do módulo de deformação. *Ec= módulo de deformação; y = massa específica (kg/m3); fc = res. compressão (150 x 300 mm - cilíndrico); K = res. compressão (100 x 200 mm - cilíndrico); f., = res. compressão (cubo 100 mm).
  66. 66. 1000 9 0 0 800 ^o 700 X 6 0 0 .§ 5 0 0 V/- o i : 4 0 0 oCL 3 0 0 200 100 0 710 6 1 0 5 5 0 4 8 0 4 4 0 Consumo de cimento (kg/m 3) Figura 3 6 . Retração por secagem dos concretos leves: comparação entre os valores obtidos experimentalmente e os obtidos pela Equação 3 (ACI 209R-92, 1997). Fonte: Rossignolo; Agnesini, 2001b. Sult = ( ( 3 5 + t ) / t ) x S, (3) 4.5 Propriedades térmicas O ar aprisionado na estrutura celular dos agregados leves reduz a absorção e a transferência de calor em relação aos agregados convencionais. Com isso, a uti- lização do concreto leve na vedação das fachadas e na cobertura das edificações reduz a absorção e a transferência para o ambiente interno do calor proveniente da radiação solar (EuroLightCon, 1998; Holm; Bremner, 2000). A Tabela 1 1 apresenta uma comparação entre os valores de condutividade tér- mica, expansão térmica, difusão térmica e calor específico entre o concreto com agregados leves e o concreto convencional. A Figura 37 apresenta os resultados da avaliação realizada por Sacht, Ros- signolo e Santos (2007) sobre a influência da argila expandida brasileira na con- dutividade térmica dos concretos. Nesse estudo foram avaliados concretos com massa específica entre 1200 kg/m3 e 2400 kg/m3, utilizando o método do fio quente paralelo. Os valores da condutividade térmica variaram entre 0,54 W/m.°K e 1,8 W/m.°K.
  67. 67. £ 1.2- O y = 0 , 0 0 1 l x - 0 , 8 2 8 4 R : = 0 , 9 9 2 4 o 0.0 3 0.2- 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 Massa específica (kg/m3) F i g u r a 3 7 . Influência da massa específica do concreto com argila expandida no valor da condutividade térmica. Fonte: Sacht; Rossignolo; Santos, 2007. 4.6 Durabilidade Recorrentemente é considerada a idéia de que o uso de agregados porosos au- menta a permeabilidade do concreto aos fluidos e, com isso, diminui a resistência do concreto aos agentes agressivos. Os resultados de diversas pesquisas permitem constatar que não é o caso (Holm; Bremner, 1994; EuroLightCon, 1998; Chandra; Berntsson, 2002). Nessa mesma linha, diversos estudos realizados com concretos com argila expandida brasileira indicam que o uso desse agregado não necessário mente reduz a durabilidade do concreto (Rossignolo, 2003; Rossignolo; Agnesini, 2004; Rossignolo; Agnesini, 2005b). Para a avaliação da durabilidade do concreto, deve-se dar atenção especial a sua estrutura porosa, isto é, se a porosidade é constituída por poros conectados ou não. Assim, é essencial a distinção entre sistemas fechados ou abertos quando se pretende avaliar a relação entre a porosidade e a permeabilidade. A Figura 38 apresenta uma ilustração da diferença entre porosidade e permea- bilidade, demonstrando que a conectividade entre os poros é um pré-requisito para que ocorra o transporte de agentes agressivos no concreto. Um material pode ser poroso e, no entanto, ser estanque (caso "c" da Figura 38). Assim, o uso de agrega-
  68. 68. £ o o gw 4Í 5 o o CN o K I O CN O CN CN CN 1 o" O O CO U") 00 o" • — CN O o o" CO o CN «O o" o" O •Oi/> 1/5 0)v_ CL E o u 'O g 'u c <a> CD D OO 0) o Q. O» »_ O _o Oo CD O K O O o" I CN O o o" D U - y E v<D <D "D O O ^ E — I à3 "D C O O o •oio J2 Q O Ou Ê _ *a> <J-•— o CO C—' c •— O Q_ X O O o CN i— a>c £<Di— CO _E o X o ot— üc Ov •si O ~o•s> Ou <D O~o Q. 2Q- _0 -D .O
  69. 69. dos porosos não resulta necessariamente em concretos com maior permeabilidade e, como conseqüência, com menor durabilidade, quando os fenômenos relevantes dependem do transporte de agentes agressivos. Diversos estudos comparativos demonstraram que os concretos com agregados leves apresentam valores de permeabilidade aos fluidos iguais ou inferiores aos obser- vados para os concretos convencionais, para os mesmos níveis de resistência à com- pressão (Zhang; Gj(j)rv, 1991c; Holm; Bremner, 2000; Chandra; Berntsson, 2002). Esse fato pode ser atribuído especialmente aos seguintes fatores: • Redução nos valores da relação água/aglomerante dos concretos leves em relação aos concretos convencionais, para se obter os mesmos valores de resistência à compressão; • Diminuição das fissuras internas do concreto pela redução da diferença entre os valores dos módulos de deformação do agregado e da pasta de cimento; • Melhoria da qualidade da zona de transição pasta-agregado. A melhoria da qualidade da zona de transição pasta-agregado, assunto que abor- daremos no próximo capítulo, contribui significativamente para a redução da permeabili- dade dos concretos leves em comparação com os concretos convencionais. Normalmente, a zona de transição pasta-agregado é a região de origem das primeiras microfissuras do concreto, quando solicitado mecanicamente, e apresenta maior permeabilidade do que a pasta bem como altos teores de hidróxido de sódio e de etringita. Esse efeito pode ser observado no fenômeno da carbonatação, que ocorre mais intensamente em regiões com maior permeabilidade, permitindo a rápida difusão do dióxido de carbono, e com maior quantidade de hidróxido de cálcio, como ocorre na zona de transição de concretos convencionais com elevada relação água/cimento. Um exemplo desse efeito pode ser observado no estudo realizado por Silva (2007), no qual se observou que a zona de transição dos concretos convencio- nais mostra-se o caminho preferencial para avanço da frente de carbonatação. A Figura 39 ilustra as duas faces de um corpo-de-prova após ruptura por compressão diametral, com tratamento colorimétrico, indicando a facilitação da ocorrência da carbonatação na zona de transição, especificamente nas regiões assinaladas (a),
  70. 70. a. alfa porosidade/baixa permeabilidade b. poroso/alta permeabilidade c. poroso/ não^permeável d. baixa porosidade/alta permeabilidade Figura 3 8 . Representação esquemática da relação entre porosidade e permeabilidade. Fonte: EuroLightCon, 1998. (b) e (c), locais em que as rupturas ocorreram na interface pasta-agregado e estão totalmente carbonatadas. Nos concretos com agregados leves, mesmo com elevada relação água/cimen- to, em função das características diferenciadas da zona de transição, esse efeito é significativamente reduzido, como pode ser observado na Figura 40, que ilustra a profundidade de carbonatação em um concreto leve com relação a/c igual a 0,77 (Rossignolo; Pereira, 2005). Um importante estudo sobre a carbonatação do concreto com agregados leves foi realizado por Holm e Bremner (1994), na década de 1980, no navio americano USS Selma, produzido com concreto leve estrutural durante a Primeira Guerra Mun- dial e que ainda se encontra exposto em ambiente marinho. Observou-se, nesse estudo, que o concreto apresentava espessura média de carbonatação de 2 mm. Os resultados apresentados por Rossignolo (2005) indicam que a distribuição uniforme das tensões internas dos concretos com argila expandida reduz a formação das microfissuras, resultando em uma curva tensão-deformação linear até, pelo menos, 80% do carregamento último. Isso significa que a permeabilidade do concreto leve, com origem nas microfissuras, começa a aumentar a cerca de 80% do carregamento último, em vez de 60%, como normalmente ocorre nos concretos convencionais.
  71. 71. Figura 3 9 . Ilustração do avanço da frente de carbonatação em concretos com agregados convencionais. Fonte: Silva, 2007. Um dos principais problemas associados à durabilidade do concreto armado exposto em ambiente marinho está relacionado com a corrosão da armadura pela ação de íons cloreto. Estudos apresentados por Rossignolo (2003) indicam valores semelhantes de difusão de íons cloreto em concretos produzidos com argila expan- dida e com agregados convencionais, demonstrando, assim, a baixa influência do agregado na resistência do concreto leve à penetração e difusão de íons cloretos. Assim como nos concretos convencionais, a utilização de adições minerais pozolânicas e aditivos poliméricos aumenta significativamente o desempenho das propriedades relacionadas à durabilidade dos concretos com argila expandida. As adições minerais pozolânicas, como o metacaulim e a sílica ativa, reduzem a poro- sidade e a quantidade de hidróxido de cálcio da pasta de cimento, melhorando a qualidade da zona de transição pasta-agregado, aumentando, assim, a proteção da armadura contra a ação dos agentes agressivos (Rossignolo, 2003; Rossignolo; Oliveira, 2006 e 2007). Os aditivos poliméricos, como o látex estireno-butadieno (SBR), também pro- movem melhorias significativas no desempenho das propriedades relacionadas ao transporte de agentes agressivos no concreto com argila expandida, especialmente pelos efeitos de redução da relação água/cimento e da porosidade permeável,
  72. 72. F i g u r a 4 0 . Ilustração do avanço da frente de carbonatação em concretos com argila expandido. Fonte: Rossignolo; Pereira, 2005. conseqüência do efeito de preenchimento dos poros, como pode ser observados nos estudos realizados por Rossignolo e Agnesini (2004). 4 . 7 Considerações sobre as propriedades dos concretos leves Neste capítulo foram apresentados alguns aspectos sobre a influência da argila expandida nas propriedades do concreto estrutural. Com base nos resultados apre- sentados, assim como nas conclusões de pesquisas correlatas, pode-se constatar que a argila expandida promove alterações significativas nas propriedades dos concretos, sendo, assim, fundamental o entendimento dessas modificações para a correta especificação desse material. A argila expandida tem natureza bem diversa da natureza dos agregados con- vencionais, como baixa resistência mecânica, estrutura porosa e elevados valores de absorção de água. Com isso, todas as etapas do processo de produção de elementos estruturais em concreto com agregados leves, desde a concepção até os aspectos de durabilidade em idades avançadas, devem ser reavaliadas em função das especificidades desse agregado. Na etapa de concepção do projeto, deve-se avaliar se a utilização de concretos com agregados leves, em substituição ao con- creto convencional, promoverá, por exemplo, a redução de custos, a melhoria do desempenho da edificação ou a facilitação do processo produtivo. O processo de dosagem dos concretos com agregados leves deve considerar, além dos parâmetros usuais, a necessidade de projetar um concreto com massa
  73. 73. específica particular, a elevada absorção de água dos agregados, a variação da massa específica do agregado leve em função de sua dimensão e a influência das características dos agregados leves nas propriedades dos concretos. A manutenção da trabalhabilidade do concreto após a mistura depende do teor de umidade dos agregados leves, podendo, em alguns casos, se considerar a inclusão adicional de água à mistura como forma de compensar a absorção dos agregados. Em casos especiais, como lançamento por bombeamento, o agregado deve ser saturado antes da mistura. Além da influência direta no valor da massa específica, o agregado leve apre- senta-se como o principal limitante da evolução dos valores de resistência à com- pressão do concreto. Respeitando as especificadas de dosagem, o concreto com agregados leves apresenta um valor particular de resistência à compressão denomi- nado "resistência ótima", a partir da qual o aumento do teor de aglomerante não apresenta melhoria no desempenho dessa propriedade. Os valores da resistência à tração dos concretos leves, tanto na compressão diametral como na flexão, são inferiores aos observados nos concretos com massa específica normal, para o mesmo nível de resistência à compressão. Com a maior proximidade entre os valores do módulo de deformação da ar- gamassa e dos agregados leves, em comparação com os agregados convencio- nais, ocorre uma melhoria do comportamento do concreto no regime elástico, re- sultando no aumento do trecho linear da curva tensão-deformação. No entanto, a substituição dos agregados convencionais por agregados leves pode promover a redução dos valores do módulo de deformação em até 50%. Os concretos com agregados leves apresentam aumento dos valores de retra- ção por secagem quando comparados aos concretos convencionais, uma vez que o agregado leve oferece menos restrição à movimentação da matriz de cimento. O uso de argila expandida reduz significativamente os valores de condutivi- dade térmica do concreto e, de modo geral, não altera a permeabilidade a agentes agressivos desse material. Para os mesmos níveis de resistência à compressão, os concretos com agrega- dos leves apresentam valores de permeabilidade aos fluidos iguais ou inferiores aos
  74. 74. observados para os concretos convencionais. Esse fato deve-se, especialmente, à redução nos valores da relação água/aglomerante dos concretos leves (para se obter a mesma resistência à compressão), à diminuição das fissuras internas pela redução da diferença entre os valores dos módulos de deformação do agregado e da pasta de cimento e melhoria da qualidade da zona de transição pasta-agregado.
  75. 75. 5MICROESTRUTURA DO CONCRETO LEVE 5.1 Zona de transição nos concretos convencionais Monteiro (1993) afirmo que, além do trabalho sistemático para conhecer e con- trolar a microestrutura da pasta de cimento, visando à melhoria das propriedades do concreto, é importante que sejam realizados estudos que abordem a melhoria da qualidade da zona de transição existente entre o agregado e a pasta de cimento. Segundo Paulon (2005), existe uma forte relação entre a espessura e a quali- dade da zona de transição e as propriedades mecânicas e a durabilidade dos con- cretos. A zona de transição influencia, diretamente, as propriedades relacionadas à resistência mecânica, o módulo de deformação, o mecanismo de propagação de fissuras e a permeabilidade de agentes agressivos nos concretos, demonstrando, assim, a grande importância do estudo da zona de transição pasta-agregado. Os principais desenvolvimentos da microestrutura da zona de transição desde a mistura dos materiais constituintes do concreto podem ser resumidos da seguinte forma (Paulon, 1991; Monteiro, 1993; Ollivier et ai, 1995): a) Inicialmente, no concreto fresco, filmes de água envolvem os agregados pelo efeito parede, originando uma relação água/cimento superior na região pró- xima ao agregado, em comparação àquela existente na pasta de cimento; b) Em seguida, íons produzidos pela dissolução de vários componentes do cimento se combinam para formar, principalmente, etringita, hidróxido de cálcio e silicato de cálcio hidratado;
  76. 76. c) Devido à maior relação água/cimento, os produtos cristalinos na vizinhan- ça dos agregados são caracterizados por cristais maiores e, assim, formam uma estrutura mais porosa e mais rica em hidróxido de cálcio e em etringita do que a observada na pasta de cimento. A resistência da pasta de cimento depende, essencialmente, das forças de atra- ção de Van der Walls, ou seja, a resistência será maior quanto mais compacta for a pasta e quanto menos cristalinos forem os produtos de hidratação. Dessa forma, a zona de transição apresenta resistência mecânica mais baixa do que a da pasta de cimento, sendo, assim, a região do concreto mais vulnerável à microfissuração, que influencia negativamente algumas propriedades desse material, como a per- meabilidade e a resistência mecânica. A vulnerabilidade da zona de transição à microfissuração existe tanto nos períodos iniciais da hidratação (quando o concreto é submetido a tensões de tração induzidas pela retração por secagem e por variações térmicas) quanto no estado endurecido do concreto (pela ação das solicitações externas), devido a deformações diferenciais entre a pasta de cimento e o agregado, que facilmente excedem a resistência-limite da zona de transição, causando, assim, as microfissuras. Como os cristais de hidróxido de cál- cio tendem a se precipitar em camadas preferenciais e apresentam pouca aderência, as microfissuras tendem a se formar rapidamente, em uma direção paralela às cama- das (Monteiro, 1993; Maso, 1996; Metha; Monteiro, 2008). Dessa forma, pode-se resumir que os fatores que mais influenciam na baixa resistência mecânica da zona de transição entre o agregado e a pasta de cimento são os grandes cristais de hidróxido de cálcio orientados preferencialmente, o ele- vado volume de poros e a presença de microfissuras (Figura 41). A estrutura da zona de transição pode ser alterada e densificada de diversas formas. Dentre essas, a mais utilizada e efetiva mostra-se por meio da incorporação de adições minerais, contribuindo assim para um melhor desempenho das proprie- dades dos concretos. Algumas pesquisas apresentam resultados demonstrando que as adições minerais são capazes de produzir uma significativa redução da espessura da zona de transição

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