Implications for the Galltacht

1.4.1.1 - Composição química e mineralógica do cimento

O cimento Portland é material produzido de modo a ser um produto de baixo custo. Sendo assim, diferentemente de certos cimentos especiais produzidos a partir de matéria-prima de alta pureza, como por exemplo cimentos para uso odontológico, o Portland é produzido a partir de grandes jazidas de argila e calcário. Para fabricar-se milhares de toneladas desse

material, é de se esperar que aconteçam grandes mudanças na composição da matéria-prima utilizada por uma indústria. Apesar disso, as indústrias de cimento possuem rigorosos controles de qualidade e, através da mistura de mais de uma fonte de matéria-prima, de acordo com as necessidades, a produção consegue ter níveis mínimos de variação na composição química.

Espera-se que, entre cimentos produzidos por fábricas diferentes e entre diferentes tipos de cimento Portland, hajam também grandes diferenças na composição química e, consequentemente, diferenças significativas nos processos de hidratação conforme já descrito no item 1.2 deste texto. Como as diferenças entre os vários tipos de cimento Portland são grandes e importantes, a ABNT criou normas técnicas com as especificações químicas e físicas para cada tipo (NBR 05732, 1991; NBR 05733, 1991; NBR 05735, 1991; NBR 05736, 1991; NBR 05737,

1992; NBR 09831, 1987; NBR 11578, 1991).

1.4.1.2 - Superfície específica do cimento

A finura (ou superfície específica) de um cimento influencia muito fortemente sua velocidade de hidratação. Para uma dada composição química, pode-se aumentar a resistência de um cimento na idade de controle, geralmente 28 dias, pelo simples aumento de sua superfície específica. É que normalmente após a idade de controle, ainda existe uma grande quantidade de cimento anidro no concreto, que será responsável por um aumento de resistência que continuará enquanto houver cimento não hidratado e água disponível para hidratação. Boa parte do cimento nunca chega a reagir porque, durante a hidratação, o gel de C-S-H recobre o cimento anidro, impedindo a hidratação da camada interior (NEVILLE, 1997).

O aumento na resistência do cimento aos 28 dias de idade pelo aumento da finura tem um limite que se situa em tomo de 500 m2/kg pelo Método de BLAINE (TANGO, 1983). Com essa finura, praticamente todo o cimento reage até a idade de controle. Apesar do aumento da finura até o limite supra-citado proporcionar um incremento na resistência aos 28 dias, também representa um aumento bastante significativo nos custos de moagem. Além disso, o aumento na velocidade de hidratação significa também um aumento nas taxas de liberação de calor, o que não é desejável. Existe ainda o aumento na demanda de água pelo concreto. Outra desvantagem da finura muito elevada é que não há acréscimo de resistência além da idade de controle que possa contribuir com a segurança da estrutura. Por esses motivos a maioria dos cimentos possuem finura BLAINE na faixa situada entre 300 e 400 m2/kg.

1.4.1.3 - Adições minerais ao cimento

Os cimentos Portland disponíveis comercialmente são misturas homogêneas de cimento Portland com filler (calcáreo), compostos cimentantes (escória de alto-fomo) ou pozolana (cinza volante, cinza de casca de arroz, cinza vulcânica, sílica ativa, etc.). A escória de alto-fomo é um produto não metálico, consistindo essencialmente de silicatos e alumino-silicatos de cálcio e outras bases. Escória granulada é o produto vítreo ou não cristalino formado quando a escória de alto-fomo fundida é rapidamente resfriada, como por exemplo, pela aspersão com água. Uma pozolana é definida como um material silicoso ou sílico-aluminoso que, em si mesmo, possui pouca ou nenhuma propriedade cimentante mas, numa forma finamente dividida e na presença de umidade, reage quimicamente com o hidróxido de cálcio à temperatura ambiente para formar compostos com propriedades cimentantes (MEHTA & MONTEIRO, 1994).

Comparada às pozolanas, a escória de alto-fomo finamente moída é auto-cimentante, isto é, não necessita dé hidróxido de cálcio para formar produtos cimentantes como o C-S-H. Entretanto, quando a escória granulada de alto-fomo hidrata por si mesma, a quantidade de produtos cimentantes formados e as taxas de formação são insuficientes para aplicação do material com fins estruturais. Quando usada em combinação com cimento Portland, a hidratação da escória é acelerada na presença de hidróxido de cálcio e gipsita. Durante a hidratação do cimento com escória, eventualmente parte do hidróxido de cálcio produzido pelo cimento Portland é consumido pela reação de hidratação da escória constituinte do cimento.

A reação entre a pozolana e o hidróxido de cálcio é chamada reação pozolânica. A importância técnica dos cimentos pozolânicos (e também dos cimentos de alto-fomo) deriva principalmente de três aspectos da reação pozolânica. Primeiro, a reação é lenta e, portanto, a taxa de liberação de calor e de desenvolvimento da resistência serão lentas. Segundo, a reação consome hidróxido de cálcio ao invés de produzí-lo, o que representa uma contribuição importante para a durabilidade da pasta endurecida de cimento frente a meios ácidos. Terceiro, estudos sobre a distribuição do tamanho dos poros desses cimentos hidratados mostraram que os produtos da reação são bastante eficientes no preenchimento dos espaços capilares grandes, melhorando assim a resistência e reduzindo a permeabilidade do sistema. Nos concretos de muito altas resistências, a adição de material pozolânico é indispensável para melhorar o desempenho na zona de transição pasta-agregado graúdo. Geralmente se utilizam de adições de sílica ativa, por ser uma pozolana de alta eficiência. Há também vários estudos do uso da cinza de casca de arroz como material pozolânico, por ter esse material, reatividade também muito elevada.

Importante ressaltar que, embora se considere muitas vezes a reação da escória de alto- fomo com a cal como pozolânica, a escória é predominantemente hidráulica, desenvolvendo suas propriedades à temperatura ambiente pela ação de ativantes alcalinos (p.ex.: cal, silicato de sódio, carbonato de sódio e hidróxido de sódio). No caso particular da cal, o cálcio participa da formação do C-S-H. Embora o produto formado em reações de hidratação dos aglomerantes hidráulicos seja o C-S-H, este é diferenciado pelo valor da relação entre CaO / S i0 2 , segundo a origem, cujo valor diminui na seguinte ordem :

Cimento Portland -> Escória de Alto-Fomo —> Pozolana.

A zona de transição é a região de ligação entre a pasta de cimento e o agregado. Como, no caso da pasta, a causa da adesão entre os produtos de hidratação e a partícula de agregado são as forças de Van der Waals, a resistência da zona de transição em qualquer ponto depende do volume e do tamanho dos vazios presentes. Mesmo para concreto de baixa relação água/cimento, nas primeiras idades, o volume e tamanho de vazios na zona de transição serão maiores do que na matriz de argamassa, consequentemente a zona de transição é mais fraca em resistência.

A zona de transição, geralmente o “elo mais fraco da corrente”, é considerada a fase de resistência limite do concreto. É devido a presença da zona de transição que o concreto rompe a um nível de tensão consideravelmente mais baixo que a resistência dos dois constituintes principais, pasta e agregado. Segundo YANG et al. (1998), a zona de transição crítica está em tomo dos agregados graúdos e varia entre 25 a 70p.m.

A microestrutura da zona de transição, especialmente o volume de vazios e microfissuras presentes, têm grande influência sobre a rigidez ou o módulo de elasticidade do concreto. No material composto, a zona de transição serve de ponte entre os dois constituintes: a argamassa matriz e as partículas de agregado graúdo. Mesmo nos casos em que os constituintes individuais têm rigidez elevada, a rigidez do material composto pode ser baixa por causa de “pontes rompidas” (p.ex.: vazios e microfissuras na zona de transição), as quais não permitem transferência de energia, levando o concreto à ruptura com tensões menores que a resistência da pasta de cimento.

Devido a dificuldades experimentais, ainda há pouca informação sobre a zona de transição no concreto. Todavia, com base em uma descrição dada por MASO (apud MEHTA & MONTEIRO, 1994), pode-se ter algum entendimento das suas características estruturais acompanhando-se a seqüência do seu desenvolvimento a partir do momento em que o concreto é lançado.

Primeiro, em concreto recentemente compactado, um filme de água forma-se ao redor das partículas grandes de agregado. Isto pode levar a uma relação água/cimento mais elevada

na proximidade do agregado graúdo do que longe dele (p.ex., na matriz de argamassa). Em seguida, analogamente à matriz, os íons de cálcio, sulfato, hidroxila, e aluminato, formados pela dissolução dos compostos de sulfato de cálcio e de aluminato de cálcio, combinam-se para formar etringita e hidróxido de cálcio. Devido à relação água/cimento elevada, estes produtos cristalinos vizinhos ao agregado graúdo consistem de cristais relativamente grandes e, consequentemente, formam uma estrutura mais porosa do que na matriz de pasta de cimento ou na matriz de argamassa. Os cristais em placa de hidróxido de cálcio tendem a formar-se em camadas orientadas, por exemplo, com o eixo principal perpendicular à superfície do agregado. Finalmente, com o progresso da hidratação, o C-S-Hpouco cristalizado e uma segunda geração de cristais menores de etringita e de hidróxido de cálcio começam a preencher os espaços vazios entre o reticulado criado pelos cristais grandes de etringita e de hidróxido de cálcio. Isto ajuda a aumentar a densidade e, consequentemente, a resistência da zona de transição.

Uma representação diagramática da zona de transição do concreto é apresentada na figura 4 abaixo:

AgregadoE *

Zona da Transiçao Matriz de pasta de cimento

Figura 4 - Representação diagramática da zona de transição e da matriz de pasta de cimento no concreto (MEHTA & MONTEIRO, 1994).

Nas primeiras idades, especialmente quando ocorreu uma exsudação interna considerável, o tamanho e o volume de vazios da zona de transição são maiores do que no interior da pasta ou da argamassa. O tamanho e a concentração dos compostos cristalinos, tais como o hidróxido de cálcio e a etringita, são também maiores na zona de transição. Contudo, com o aumento da idade, a resistência da zona de transição pode tomar-se igual ou mesmo maior do que a resistência da matriz de argamassa (MEHTA & MONTEIRO, 1994). Isto poderia ocorrer como resultado da cristalização de novos produtos nos vazios da zona de transição, através de reações químicas lentas entre os constituintes da pasta de cimento e o agregado, formando silicatos de cálcio

hidratado no caso de agregados silicosos, ou carboaluminatos hidratados em caso de calcário. Tais interações contribuem para a resistência porque tendem também a reduzir a concentração de hidróxido de cálcio na zona de transição. A presença de grandes cristais de hidróxido de cálcio na pasta tende a reduzir a resistência do concreto, pois possuem menor capacidade de adesão que o C-S-H, já que as forças de Van der Waals são mais fracas devido à menor área especifica. Além disso as superfícies dos cristais servem como zonas preferenciais de fratura devido a tendência de crescimento dos cristais com direções cristalográficas orientadas em relaçã.o à superfície do agregado.