O emprego dos finos de britagem, quer em concretos e argamassas exige uma abordagem científica, principalmente incluindo a questão mineralógica e petrográfica, a questão reológica para avaliação de sua influência na trabalhabilidade e demais propriedades de processo, e a questão morfoscópica das partículas, buscando mensurar sua influência nos desempenhos dos concretos e argamassas.
Esse assunto é meio tabu na tecnologia do concreto, e muito mais complexo na tecnologia das argamassas. Trago aqui essa contribuição que visa incentivar novas pesquisas e abordagens sobre o tema, esse estudo foi desenvolvido no ano de 2009 no Laboratório de Ensaio de Materiais da UnB.
Saudações a todos.
Prof. Elton Bauer (MAT AND MAT)
EMPREGO DE FINOS DE BRITAGEM– INVESTIGAÇÃO DE PARÂMETROS REOLÓGICOS DE ARGAMASSAS COM AREIAS ARTIFICIAIS
Bauer, E. (1); Santos, C.N. (2); Jadallah, N.M.(3)
(1) Professor Doutor, Programa de Pós-Graduação em Estruturas e Construção Civil, Laboratório de Ensaio de Materiais, Universidade de Brasília
(2) Professora Doutora, Centro Federal de Educação Tecnológica de Sergipe
CEFET/SE – Aracaju
(3) Engenheiro Civil , ex-auxiliar de pesquisa, Laboratório de Ensaio de Materiais, Universidade de Brasília
Campus Universitário Darcy Ribeiro, Asa Norte, 70910-900 Brasília/DF
laboratorio.unb@gmail.com
Resumo
A areia britada artificialmente é bastante utilizada em diversos países como substituição integral ou parcial geralmente em concretos de alto desempenho, no qual as características físicas dos agregados são minimizadas devido à presença de outras adições no concreto como a microssílica, o aditivo superplastificante, A areia britada possui características diferentes da areia natural, principalmente se forem levados em consideração o teor de materiais microfinos, distribuição de tamanho de partículas, características de forma das partículas, além dos tipos litológicos que podem ser encontrados no país. Do ponto de vista reológico, as areias artificiais provavelmente proporcionam misturas com altas tensões limites de escoamento, viscosidade, coesão e atrito interno. A tensão limite de escoamento é comandada principalmente pela fricção interna dos grãos maiores da areia, que se reflete no atrito interno gerado. Acredita-se que o atrito interno é tanto maior quanto mais angulosos forem os grãos dos agregados, situação esta que é encontrada quando da utilização da areia britada em detrimento da areia artificial. Uma maior coesão da mistura também pode aumentar a tensão limite de escoamento e a viscosidade da mesma. A coesão do concreto é conferida principalmente pelo teor de partículas finas presentes na massa fresca. Como, geralmente, o teor de partículas finas das areias britadas é excessivamente alto, esta propriedade pode ser incrementada em relação à utilização da areia natural.
O presente estudo atém-se a avaliação do comportamento reológico da argamassa do concreto quanto da utilização de diferentes tipos litológicos de areias provenientes de resíduo de britagem. Foram estudados: granito, calcário calcítico, calcário dolomítico e micaxisto em substituição total da areia na argamassa. Em relação as areias, as mesmas foram caracterizadas em relação a sua distribuição granulométrica, parâmetros morfoscópicos e petrográficos.
Para estudo utilizou-se uma argamassa definida em função de estudo de dosagem (método de Faury), sendo determinados e avaliados a viscosidade e a tensão de escoamento.
Palavra-Chave: Areia artificial; concretos; reologia; estado fresco
1 Introdução
A areia artificial, muitas vezes denominada de areia britada ou pó-de-pedra são produtos resultantes da produção de agregados britados. Geralmente, se a produção é a seco, o material resultante é o pó-de-pedra. Se o beneficiamento é a úmido, o material resultante é a areia britada. A principal diferença entre os dois é que na areia britada ocorre a eliminação de grande parte dos microfinos oriundos da britagem. Os estudos científicos que abordam uma substituição completa da areia natural pela areia artificialmente britada, geralmente o fazem considerando apenas um tipo litológico. Faria e Cruz (2003) procederam a uma tentativa de substituição completa da areia natural lavada de leito de rio pela areia artificialmente brita do tipo litológico calcário, mas não obtiveram resultados adequados de trabalhabilidade, na qual os concretos foram qualificados como muito ásperos. Almeida (2005) e Goncalves (2005) usaram areias britadas do tipo litológico granítico e obtiveram propriedades adequadas dos concretos com a adição de aditivo plastificante e de superplastificante.
Do ponto de vista reológico, as areias artificiais provavelmente proporcionam misturas com altas tensões limites de escoamento, viscosidade, coesão e atrito interno. A tensão limite de escoamento, a qual identifica o início do fluxo, depende em grande parte do arranjo das partículas existente, sendo influenciada diretamente pelo ângulo de atrito interno existente no sistema. No que diz respeito à geometria das partículas, o atrito interno tem forte relação com a angulosidade e rugosidade dos agregados. Também se observa que o mesmo diminui à medida em que se aumenta o teor de partículas finas e microfinas (Souza, 2005). As partículas de areia artificial de britagem são geralmente angulosas, e, dependendo do tipo litológio podem ser mais ou menos lamelares e de rugosidade variável. Diferentemente da areia artificial, a areia de rio geralmente possui baixa rugosidade e média a baixa angulosidade, sendo essa uma da principais diferenças quanto a utilização desses materiais nos concretos.
O presente estudo atém-se a 4 tipos litológicos distintos (granito, micaxisto, calcário calcítico e calcário dolomítico), tomando-se como referência de comparação uma areia natural de rio. Para a análise são efetuadas caracterizações detalhadas tanto da petrografia como da forma das partículas. O estudo reológico é efetuado sobre a argamassa do concreto, efetuando-se as avaliações de viscosidade e tensão limite de escoamento, além de avaliações de penetração de cone e consistência (espalhamento).
2 Programa experimental
O programa experimental desenvolvido neste estudo baseou-se na avaliação do comportamento da argamassa do concreto, com o uso das areias artificiais. Para tanto, a partir de um estudo de dosagem de concreto utilizando o método de Faury, conforme descrito em Santos (2008), obteve-se o traço de estudo da argamassa, a saber: 1:2,21:0,62 (cimento, areia, água/cimento). Todas as argamassas foram misturadas respeitando-se o traço em questão.
Os tipos litológicos investigados são de origem da região geoeconomica de Brasília e Goiânia sendo basicamente:
• areias artificialmente britadas dos tipos litológicos:
- Granito – APARECIDA DE GOIÂNIA
- Calcário calcítico – PADRE BERNARDO
- Calcário dolomítico (com VSI) – BRASÍLIA
- Micaxisto – APARECIDA DE GOIÂNIA
• areia natural de leito de rio – RIO CORUMBÁ
Optou-se pelo uso dos materiais na condição in natura como são fornecidos, ou seja, sem efetuar nenhum tratamento de classificação, peneiramento ou lavagem.
2.1 Materiais
As areias empregadas no estudo foram caracterizados quanto aos aspectos morfoscópicos e petrográficos, além de sua caracterização física. Quanto à análise petrográfica, realizada conforme prescrições da NBR 7389, se obteve a seguinte caracterização (Santos, 2008):
• GRANITO – fragmentos intergranulares de rocha granítica leucocrática. A composição mineralógica é composta por quartzo, feldspato potássico, plagioclásio e rica em minerais micáceos (muscovita e biotita);
• CALCÍTICO – amostra de rocha calcária rica em calcita, apresentando composição mineralógica homogênea representada por fragmentos de rocha calcária fina de cor cinza médio, grãos individualizados de calcita com cor branca a rosada, além de quantidades traço de quartzo, muscovita e pirita limonitizada.
• DOLOMÍTICO – rocha calcária de composição homogênea formada por fragmentos cinza de rocha calcária fina, grãos de calcita individualizados, numerosos em quantidade e de cor branco leitoso e rosado, grãos de quartzo translúcido e placas de lamelas de muscovita.
• MICAXISTO – amostra com fragmentos inequegranulares de rocha xistosa composta por quartzo, granada, mica escura (esverdeada) e mica branca. Os fragmentos que representam a rocha xistosa aparecem menos arredondados, com formas alongadas e placóides devido à xistosidade e a clivagem das micas.
• AREIA NATURAL – grãos heterogêneos representando uma mistura de fragmentos de rocha granítica, rocha calcária, grãos de quartzo leitoso e translúcido e grãos individualizados de turmalina, mica branca e minerais metálicos. Ocorrem fragmentos de rocha alterada (laterizada) e rocha xistosa, sendo grande parte da amostra formada por quartzo. Apresenta quantidades traço de granada rosa.
Da análise petrográfica infere-se que duas areias possuem em sua composição a calcita (dolomítico e calcítico). Essa constatação se faz importante uma vez que a calcita promove a obtenção de argamassas e concretos mais fluidos, os quais necessitam um menor teor de água e de aditivos para uma dada consistência conforme colocam Donza et al.(2003) e Quiroga e Fowler (2003). Observa-se também que existe a presença de minerais micáceos em todos os materiais, o que pode ser um aspecto negativo que talvez comprometa as resistências mecânicas devido aos planos de clivagem orientados desse material. A areia natural evidenciou composição mineralógica mais heterogênea na análise, sendo que todavia o mineral mais freqüente foi o quartzo.
A classificação morfoscópica de acordo com a NBR 5739 realizada por Santos (2008), é apresentada na Tabela 1. Observa-se que os materiais com melhores esferecidades foram o dolomítico e o granito, sendo o micaxisto o de menor esfericidade.
Em relação à angulosidade, o granito, o calcítico, o micaxisto apresentaram mais de 50% de seus grãos classificados como muito angular ou angular. A areia natural teve o maior percentual com cantos e arestas arredondados, seguida do dolomítico (muito possivelmente pela obtenção com VSI). Quanto à rugosidade (textura), o granito apresentou maior rugosidade, seguido do micaxisto e do calcítico. A areia natural apresentou o maior percentual de grãos lisos e de baixa rugosidade.
Tabela 1 – Classificação morfoscópica das areias
MATERIAL
|
ESFERECIDADE(%)
|
GRAU ARREDONDAMENTO (%)
|
TEXTURA SUPERFICIAL(%)
|
|
ALTA
|
BAIXA
|
MT ANG.
|
ANG.
|
SUB ANG.
|
SUB ARR
|
ARR
|
ALTA RUG
|
RUG
|
BAIXA RUG
|
LISO
|
GRANITO
|
56,7
|
43,3
|
40,0
|
36,7
|
20,0
|
3,3
|
**
|
50,0
|
40,0
|
6,7
|
3,3
|
CALCÍTICO
|
33,0
|
67,0
|
13,3
|
53,3
|
23,3
|
10,0
|
**
|
3,3
|
68,3
|
25,0
|
3,3
|
DOLOMÍTICO
|
85,0
|
15,0
|
**
|
35,0
|
35,0
|
25,0
|
5,0
|
**
|
57,5
|
40,0
|
2,5
|
MICAXISTO
|
20,0
|
80,0
|
23,1
|
38,5
|
30,8
|
7,7
|
**
|
3,3
|
76,7
|
20,0
|
**
|
AREIA NAT.
|
37,0
|
63,0
|
**
|
6,7
|
43,3
|
33,3
|
16,7
|
1,7
|
15,0
|
51,7
|
31,7
|
Em relação aos parâmetros físicos, a Tabela 2 apresenta os resultados obtidos. Em termos de comparação, observa-se que para o calcítico, dolomítico, granito e areia natural a grande maioria dos grãos situa-se abaixo da peneira 2,40 mm. O micaxisto foge a essa regra apresentando uma distribuição granulométrica um pouco mais grossa, particularmente nas peneiras 2,40 e 4,80 mm. Em relação ao teor de material pulverulento, merece nota principalmente o granito, o micaxisto e o calcítico com teores mais elevados.
Tabela 2 – Parâmetros físicos das areias estudadas
|
PORCENTAGEM RETIDA ACUMULADA
|
Peneiras (mm)
|
CALCÍTICO
|
MICAXISTO
|
DOLOMÍTICO
|
GRANITO
|
AREIA NATURAL
|
6,30
|
0,1%
|
2,0%
|
0,5%
|
0,0%
|
0,3%
|
4,80
|
0,1%
|
2,8%
|
0,8%
|
0,0%
|
1,2%
|
2,40
|
0,6%
|
20,6%
|
2,8%
|
7,0%
|
6,2%
|
1,20
|
35,2%
|
53,3%
|
51,0%
|
34,3%
|
30,2%
|
0,60
|
67,8%
|
64,1%
|
76,1%
|
47,2%
|
44,1%
|
0,30
|
90,7%
|
75,1%
|
94,9%
|
63,2%
|
58,6%
|
0,15
|
91,3%
|
84,0%
|
98,6%
|
76,4%
|
78,5%
|
0,075
|
94,3%
|
93,2%
|
99,5%
|
87,0%
|
94,8%
|
Fundo
|
99,9%
|
100,0%
|
100,0%
|
100,0%
|
100,0%
|
Dimensão Máx. (mm)
|
2,40
|
4,80
|
2,40
|
4,80
|
4,80
|
Mód. Fin.
|
2,86
|
3,00
|
3,24
|
2,28
|
2,19
|
MASSA ESP.(kg/dm3)
|
2,7
|
2,7
|
2,6
|
2,5
|
2,6
|
ABSORÇÃO(%)
|
0,4
|
1,7
|
0,0
|
0,7
|
0,3
|
MAT. PULV.(%)
|
8,0
|
7,0
|
3,0
|
15,0
|
4,0
|
Em relação ao cimento empregado, utilizou-se um CP II Z – 32 de marca CIPLAN. A tabela 3 apresenta a caracterização física do cimento.
Tabela 3 – Ensaios físicos do cimento
2.2 Procedimento experimental
Os materiais foram pesados previamente, respeitando o traço base da argamassa já definido, nas quantidades de:
• Cimento – 783 g
• Areia – 1730 g
• Água – 485 g
A mistura foi efetuada em misturador mecânico para argamassa, em velocidade média, num tempo total de mistura de 90 segundos. Após a mistura, a amostra de argamassa foi condicionada em recipientes específicos para os ensaios de viscosidade, tensão de escoamento, penetração de cone e espalhamento.
Para o ensaio de penetração de cone empregou-se um dispositivo marca SOLOTEST, conforme ASTM C780 (1996). O procedimento para o ensaio de penetração de cone, consiste na penetração por ação do peso próprio de um dispositivo em forma de cone, com massa e dimensões padronizadas. O procedimento para a execução desse ensaio consiste das seguintes etapas:
• Preenchimento de recipiente cilíndrico (diâmetro interno 76mm e altura 88 mm) em 3 camadas iguais aplicando 20 golpes de espátula (espátula de largura 12,7 mm e comprimento da lâmina de 150,0 mm)
• Colocação do recipiente no aparelho de ensaio posicionando o cone de modo a tocar a superfície da amostra de argamassa. Leitura do valor inicial na escala.
• Liberação do cone o qual pelo peso próprio penetra na amostra. Após 10s se efetua a leitura na escala
Para validação desse ensaio foram feitas 3 determinações.
A tensão de escoamento foi determinada empregando-se o ensaio Vane Test conforme descrito em Bauer et al. (2007). É um método que consiste em cravar uma palheta com duas lâminas em cruz em uma determinada amostra do material a ser ensaiado. Na seqüência, a palheta é girada lentamente com uma taxa de deformação constante (velocidade angular constante), sendo registrado o momento do escoamento quando o torque exercido alcançar o valor máximo. O equipamento utilizado nesse ensaio é um Vane Tester de bancada da marca WYKEHAM FARRANCE equipado com uma mola de torção com constante de 2,32.10-3 N.m/o . Empregou-se uma palheta em cruz com altura de 50 mm e largura 25 mm. O procedimento para a execução consiste nas seguintes etapas:
• Preenchimento de recipiente cilíndrico (diâmetro interno 76mm e altura 88 mm) em 3 camadas iguais aplicando 20 golpes de espátula (espátula de largura 12,7 mm e comprimento da lâmina de 150,0 mm)
• Colocação do recipiente no aparelho e introduzindo a palheta na amostra até que a mesma atinja uma profundidade de imersão de 25,0 mm.
• Aplicação do torque respeitando a velocidade de 0,1 RPM determinando-se quando da ruptura o valor do torque limite que é usado no cálculo da tensão de escoamento.
A viscosidade das argamassas foi determinada empregando-se um reômetro programável marca Brookfield, modelo DV-III Ultra. O fuso empregado na medição da viscosidade é um disco plano de 27,0 mm de diâmetro. Empregou-se uma velocidade de 200 RPM, sendo que o torque variou de 20% a 50%. A medição da viscosidade foi efetuada após 120 s do acionamento do fuso. O procedimento de ensaio consiste basicamente das seguintes etapas:
• Preenchimento de recipiente cilíndrico (beaker de 600mL) em 3 camadas iguais aplicando 20 golpes de espátula (espátula de largura 12,7 mm e comprimento da lâmina de 150,0 mm)
• Imersão do fuso respeitando a profundidade indicada na haste do fuso
• Aplicação de 10 golpes com a espátula de borda fina de modo a uniformizar a camada por onde foi inserido o fuso
• Acionamento do equipamento e medição da viscosidade e do torque.
A determinação do espalhamento efetuada na mesa de consistência foi feita de acordo com o item 5.3 da NBR 13276.
2.3 Resultados e discussão
Os resultados observados nos ensaios com as argamassas podem ser analisados na tabela 4.
Tabela 4 – Resultados dos ensaios no estado fresco
Areias
|
Viscosidade (Pa.s)
|
Tensão de Escoamento (Pa)
|
Penetração de Cone (mm)
|
Espalhamento (mm)
| |
|
Granito
|
2,416
|
2880
|
37
|
252
| |
Calcítico
|
1,216
|
420
|
(*)
|
(*)
| |
Dolomítico
|
1,448
|
830
|
76
|
398
| |
Micaxisto
|
1,648
|
1050
|
66
|
335
| |
Areia Natural
|
1,280
|
410
|
85
|
317
| |
(*) excedeu o limite do ensaio por excesso de fluidez
A figura 1 mostra os comportamentos observados da tabela 4 quanto à viscosidade e tensão de escoamento.
Figura 1 – Viscosidade e tensão de escoamento nas argamassas estudadas
Primeiramente constata-se um comportamento muito similar da viscosidade e da tensão de escoamento, sendo que sempre que houve aumento de uma variável houve aumento da outra. Quanto aos valores, é notório o maior valor de viscosidade e tensão de escoamento do granito. Observou-se também, para o granito, os menores valores de penetração de cone e de espalhamento. Do ponto de vista da análise morfoscópica (Tabela 1), observa-se que a rugosidade e a angulosidade das partículas do granito são muito elevadas, comparando-as com as das outras areias. Embora o teor de partículas com alta esfericidade seja significativo para o granito, parece que essa característica não influi decisivamente na viscosidade e tensão de escoamento. Também deve ser ponderado o teor de partículas microfinas (material pulverulento), que no caso do granito é de 15,0%. Embora essas partículas microfinas atuem diminuindo o atrito entre os grãos maiores, deve se supor que um teor tão alto possa ser de significativa influência nos parâmetro reológicos, conforme conclui Santos (2008).
O micaxisto apresentou na seqüência, os segundos valores mais altos de viscosidade e tensão de escoamento. Todavia, a viscosidade foi em torno de 70% do valor do granito, e a tensão de escoamento foi de 30% do valor observado no granito. Pela análise morfoscópica observa-se também rugosidade e angulosidade significativos no micaxisto. Dos materiais estudados, o micaxisto é um dos materiais de maior dimensão de partículas. Deve também se ponderar, que de acordo com a análise petrográfica o micaxisto tem tendência à formação de placas, o que significa uma importante lamelaridade nas partículas. Partículas lamelares, angulosas e de maior dimensão dificultam o fluxo, o que pode explicar os valores significativamente altos de viscosidade e tensão de escoamento, comparando-se com a areia natural. Os valores de penetração de cone e espalhamento foram superiores ao granito, o que significa que a fluidez foi maior, corroborando os comportamentos discutidos.
O dolomítico apresentou na seqüência, os terceiros maiores valores de viscosidade e tensão de escoamento. Observa-se que os valores de viscosidade são um pouco inferiores ao micaxisto, mas a tensão de escoamento é significativamente menor. Em relação ao granito os valores são muito menores. A esferecidade do dolomito é alta e a angulosidade é baixa em função do tratamento VSI na britagem. Esse tratamento possivelmente pode ter reduzido a tendência de lamelaridade associado à muscovita (placóide). A rugosidade é mediana, sendo a menor de todos os materiais britados estudados. Esses aspectos das partículas evidenciam-se na tensão limite de escoamento, uma vez que pelo suposto menor atrito, fica mais facilitado o início do fluxo (tensão de escoamento menor). A penetração de cone e o espalhamento mostram a tendência de maior fluidez desse material em comparação ao micaxisto e ao granito.
O calcítico apresentou comportamento de viscosidade e tensão de escoamento similar a areia natural. Observa-se que esse material (calcítico) possui angulosidade alta e rugosidade significativa. Todavia, além dos valores baixos de viscosidade e tensão de escoamento, a argamassa apresentou-se tão fluida que não foi possível efetuar os ensaios de penetração de cone e de espalhamento. Esse comportamento é análogo ao encontrado por Santos (2008), sendo que nesse estudo atribui-se uma influência muito maior da natureza petrográfica da calcita, causando efeitos de dispersão das partículas nas misturas.
A areia natural empregada nesse estudo, embora com alto arredondamento, baixa angulosidade e rugosidade apresentou valores de viscosidade e tensão de escoamento similares ao calcítico. Tomando esses valores como referência, é possível ter uma noção da viabilidade do uso dos materiais estudados na execução de concretos estruturais. É bastante notória a influência das características petrográficas do calcítico, que evidenciam a potencialidade de menor consumo de água nos concretos, redundando em efeitos benéficos nas propriedades mecânicas e na durabilidade.
2.4 Conclusões
Do estudo efetuado, pode-se enumerar as seguintes conclusões:
• Das areias artificiais estudadas o calcário calcítico apresentou os menores valores de viscosidade e tensão de escoamento (similares ao da areia natural), o que leva a comportamentos favoráveis no uso desse material como agregado miúdo para concreto.
• Na argamassa, embora os microfinos reduzam o atrito entre as partículas maiores, o excesso dos mesmos no caso do granito pode ter influenciado na elevada ordem de grandeza da viscosidade e tensão de escoamento observados.
• O tratamento VSI aplicado ao calcário dolomítico pode ter auxiliado na melhoria das características morfoscópicas possivelmente diminuindo a viscosidade e a tensão de escoamento.
• Os parâmetros morfoscópicos são importantes no estudo da reologia das argamassas estudadas, mas não podem ser analisados isoladamente, sendo também importantes o perfil petrográfico e as características físicas dos materiais.
3. Referências bibliográficas
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SANTOS, C.C.N. A influência das características da areia artificialmente britada nas propriedades do estado fresco do concreto. Tese de Doutorado, Programa de Pós-Graduação em Estruturas e Construção Civil, Universidade de Brasília, Brasília, 2008.
DONZA, H.; CABRERA, O.; IRASSAR, E.F. High-strength concrete with different fine aggregate. Cement and Concrete Research, v.32, 2003, p.1755-1761.
QUIROGA, P.N.; FOWLER, D.W. The effects of aggregates characteristics on the performance of Portland cement concrete. Artigo de pesquisa 104-1F ICAR – International Center for Aggregate Research, Austin-Texas, 2003.
BAUER, E.; SOUSA, J.G.G.; GUIMARÃES, E.A.; SILVA, F.G. Study of the laboratory vane test on mortars. Building and Environment, v.42, p.86-92, 2007.
