Influência da adição de sílica ativa e coloidal na durabilidade de materiais cimentícios submetidos a ataque por sulfatos
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Influence of the addition of active and colloidal silica on the durability of cementitious materials subjected to sulfate attack
Primeiro orientador
Membros da banca
Fernando do Couto Rosa Almeida
Antônio Carlos dos Santos
Antônio Carlos dos Santos
Resumo
Um desafio recorrente na construção civil é a durabilidade das estruturas de concreto inseridas
em meios agressivos. É comum nestes ambientes a presença de íons sulfato, os quais, reagem
com os compostos hidratados da pasta de cimento endurecida. Estas reações deletérias tem
como produto compostos expansíveis, podendo gerar tensões internas, fissurando a matriz
cimentícia, permitindo a entrada de novos agentes agressivos. Uma das soluções encontradas
para mitigar esses efeitos foi o uso de adições minerais no cimento. A presente pesquisa tem
por objetivo comparar o comportamento de argamassas com a substituição parcial do cimento
Portland por sílica ativa e/ou coloidal, frente à degradação causada pelo ataque por sulfatos, por
um período de exposição de 140 dias. Para isso, foi analisado e avaliado a variação dimensional,
a variação de massa, a resistividade elétrica superficial, a resistividade volumétrica e as
propriedades mecânicas dos corpos de prova ensaiados. Neste trabalho, foram preparadas
quatro misturas de argamassas: a de referência T-REF (CPV – ARI), a mistura T-10 onde houve
a substituição do cimento Portland por sílica ativa no teor de 10% em relação a massa, T-10-
1,5 (10% de sílica ativa + 1,5% de sílica coloidal) e T-10-2,5 (10% de sílica ativa + 2,5% de
sílica coloidal). A composição do traço das argamassas teve fundamento na norma vigente NBR
13583 (ABNT, 2014), ou seja, produzidas em massa de 1,0:3,2 (aglomerante: areia normal
brasileira); com relação água/aglomerante de 0,60. Os corpos de prova foram classificados em
dois grupos: grupo A (seção quadrada de 25 mm de lado e 285 mm de comprimento) e grupo
B (seção quadrada de 40 mm de lado e 160 mm de comprimento). As amostras do grupo A
foram avaliadas as variações dimensionais lineares e de massa. Já as amostras do grupo B foram
avaliadas as resistividades elétricas, as resistências à compressão e à tração na flexão. Para
obtenção dos dados necessários, foram moldados 96 corpos de prova, 24 para cada tipo de
mistura, 12 para cada grupo. As amostras foram expostas à três soluções distintas: Ca(OH)2 +
H2O, Na2SO4 + H2O e MgSO4 + H2O. Os resultados demonstraram que somente através de um
período de exposição estendido (20 semanas) foi possível a avaliação correta do comportamento
dos cimentos frente ao ataque por sulfatos. A substituição parcial de cimento Portland por sílica
ativa e/ou coloidal foi eficaz em mitigar o ataque por sulfato de sódio (Na2SO4). O mesmo não
ocorreu no caso da exposição ao (MgSO4), onde as amostras T-10-1,5 e T-10-2,5 apresentaram
expansões superiores à 0,03%. Todas as amostras com substituição parcial do cimento Portland
sofreram elevadas perdas de massa. O ensaio de variação volumétrica reforçou os dados obtidos
no ensaio de variação de massa. Todas as amostras sofreram perdas significativas nas
resistividades elétricas superficiais e volumétricas quando expostas as soluções agressivas de
sulfatos. A resistência a compressão foi influenciada pela substituição por adições pozolânicas,
já a resistência à tração na flexão não sofreu perdas significativas. Esta pesquisa demonstra que
a substituição do cimento Portland por sílica ativa e/ou coloidal foi benéfica no caso do sulfato
de sódio, porém ao sofrer os efeitos mais agressivos do sulfato de magnésio, as amostras se
demonstraram inviáveis. Além disso, os ensaios complementares e a solução complementar
(MgSO4) provaram-se essenciais para a correta avaliação quanto a resistência do cimento ao
ataque por sulfatos.
Abstract
A recurring challenge in civil construction is the durability of concrete structures inserted in
aggressive environments. It is common in these environments the presence of sulfate ions,
which react with the hydrated compounds of the hardened cement paste. These deleterious
reactions produce expandable compounds as a product, which can generate internal tensions,
cracking the cementitious matrix, allowing the entry of new aggressive agents. One of the
solutions found to mitigate these effects was the use of mineral additions in cement. This
research aims to compare the behavior of mortars with the partial replacement of Portland
cement by silica fume and/or colloidal, against the degradation caused by the sulfate attack, for
an exposure period of 140 days. For this, the dimensional variation, the mass variation, the
surface electrical resistivity, the volumetric resistivity and the mechanical properties of the
tested specimens were analyzed and evaluated. In this work, four mortar mixtures were
prepared: the reference one T-REF (CPV - ARI), the T-10 mixture where Portland cement was
replaced by silica fume at a content of 10% in relation to the mass, T-10-1, 5 (10% silica fume
+ 1.5% colloidal silica) and T-10-2.5 (10% silica fume + 2.5% colloidal silica). The
composition of the mortar mix was based on current standards NBR 13583 (ABNT, 2014), that
is, produced in a mass of 1,0:3,2 (binder: regular Brazilian sand); with a water/binder ratio of
0.60. The specimens were classified into two groups: group A (square section of 25 mm on a
side and 285 mm in length) and group B (square section of 40 mm on a side and 160 mm in
length). Samples from group A were evaluated for linear and mass dimensional variations. The
samples from group B were evaluated for electrical resistivities, compressive strength and
tensile in flexion strength. To obtain the necessary data, 96 specimens were needed, 24 for each
type of mixture, 12 for each group. The samples were exposed to three different solutions:
Ca(OH)2 + H2O, Na2SO4 + H2O e MgSO4 + H2O. The results demonstrated that only through
an extended exposure period (20 weeks), it was possible to correctly evaluate the behavior of
cements against sulfate attack. The partial replacement of Portland cement by silica fume and/or
colloidal was effective in mitigating the attack by sodium sulfate (Na2SO4). The same did not
occur in the case of exposure to (MgSO4), where samples T-10-1.5 and T-10-2.5 showed
expansions greater than 0.03%. All samples with partial replacement of Portland cement
suffered high mass losses. The volumetric variation test reinforced the data obtained in the mass
variation test. All samples suffered significant losses in surface and volumetric electrical
resistivities when exposed to aggressive sulfate solutions. The compressive strength was
influenced by the replacement by pozzolanic additions, though the flexural tensile strength did
not suffer significant losses. This research demonstrates that replacing Portland cement with
sílica fume and/or colloidal silica was beneficial in the case of sodium sulfate, however, when
suffering the more aggressive effects of magnesium sulfate, the samples proved to be unviable.
Furthermore, the complementary tests and the complementary solution (MgSO4) proved to be
essential for the correct assessment of the cement's resistance to sulfate attack.
Assunto
Materiais de construção, Argamassa, Cimento Portland, Sílica, Sulfato de sódio, Sulfato de magnésio, Resistência de materiais
Palavras-chave
Ataque por sulfatos, Sílica ativa, Sílica coloidal, Resistência mecânica, Resistividade elétrica superficial e volumétrica