Investigação de agregados contendo sulfetos e seus efeitos sobre a durabilidade do concreto

Abstract

A falta de estudos de caráter científico sobre os fatores intervenientes para desencadear e/ou acelerar o processo de alteração dos sulfetos, denominado oxidação, bem como a influência do tipo de aglomerante hidráulico no desenvolvimento das manifestações patológicas no concreto, decorrentes do emprego de agregado contendo esse mineral em sua composição, motivou o desenvolvido desta tese. Neste sentido, o presente trabalho investiga a influência de cinco tipos de aglomerantes na durabilidade de concretos, quando em sua composição agregados com diferentes teores de sulfetos são empregados. Assim, o programa experimental da pesquisa foi dividido em duas etapas, denominadas Etapa 1 e Etapa 2. Nos concretos preparados para a Etapa 1, utilizou-se agregado quartzo-muscovita-xisto contendo 3,89% de sulfetos e três tipos de aglomerantes, sendo um de referência (CP II-F-32) e os outros dois resultantes da substituição parcial desse aglomerante por 40% e 60% de escória de alto-forno moída. Na Etapa 2, o mesmo tipo de agregado com 0,56% de sulfetos foi empregado, sendo utilizados também três tipos de aglomerantes, a saber, CP II-F-32, CP III-40-RS e CP IV-32. O principal objetivo foi avaliar o desempenho dos concretos confeccionados com esses aglomerantes frente ao ataque interno por sulfatos, fenômeno este resultante do processo de oxidação dos sulfetos em ambiente com umidade elevada por até aproximadamente cinco anos. Deste estudo, procedeu-se inicialmente uma investigação completa, incluindo em nível microestrutural, dos agregados contendo sulfetos "in natura", ou seja, antes de serem utilizados como material nos concretos. Em seguida, realizou-se uma avaliação comparativa do desempenho dos concretos, tendo-se como base análises microestruturais e cristalográficas, por meio da microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura, difração de raios X e análise termogravimétrica, algumas realizadas nos agregados e outras nas argamassas extraídas dos concretos. O comportamento dos concretos frente à resistência, à compressão e ao módulo de elasticidade foi avaliado até os três anos de idade. Ensaios de expansão e as investigações visuais nas superfícies externas dos concretos foram realizados por aproximadamente cinco anos. Os resultados mostraram que a pirrotita é o sulfeto mais reativo do sistema, principal mineral responsável pelas alterações observadas nos agregados extraídos dos concretos. As alterações foram diagnosticadas tanto nos agregados estocados no tempo quanto naqueles utilizados como material na composição dos concretos. Evidenciou-se que o processo de oxidação desencadeia o surgimento de manifestações patológicas ao longo do tempo que afetam as características dos concretos, promovem a expansão desse material, além de interferir em suas propriedades elastomecânicas. Tais efeitos foram resultantes da formação de produtos deletérios decorrentes do próprio processo de oxidação, como também das reações químicas entre os íons agressivos liberados durante este fenômeno e os compostos da pasta de cimento. Os aglomerantes investigados apresentaram comportamentos distintos frente ao ataque por sulfetos. Constatou-se também que quanto maior a concentração de sulfetos, especificamente de pirrotita, mais intensos e expressivos são os níveis de deterioração observados nos concretos investigados ao longo do tempo. Por fim, verifica-se que o ambiente com elevada umidade foi um parâmetro fundamental para acelerar o processo de oxidação destes minerais contidos nos agregados empregados nos concretos.

The strong motivation to the development of this thesis was the lack of scientific studies explaining the intervening factors that give rise to and/or accelerate the alteration (oxidation) of sulfides and the influence of the type of hydraulic cement on the development of pathological manifestations in concrete that have used aggregate with sulfide minerals. Therefore, this study investigates the influence of five types of cements on the durability of concrete when aggregates with different contents of sulfides are used. Thus, the experimental program of the research study was separated into two stages, designated Stage 1 and Stage 2. In the concretes prepared for Stage 1, a quartz-muscovite-schist aggregate containing 3.9% of sulfides and three types of cement were used. One type of cement was for reference (CP II-F- 32) and the other two resulting from the partial replacement of this cement by 40% and 60% of ground blast furnace slag. In Stage 2, the same type of aggregate with 0.6% of sulfides was used with three types of cements, specifically CP II-F-32, CP III-40-RS and CP IV-32. The main purpose was to assess the performance of the concretes prepared with these cements due to internal sulfate attacks resulting from the process of sulfide oxidation of aggregate in a high moisture environment up to approximately five years. Based on this study, a complete investigation was conducted including an approach at a microstructural level of the aggregates containing sulfides itself before have been used to cast concretes. Then, a comparative assessment of the performance of the concretes was carried out using microstructural and crystallographic investigation by means of optical microscopy, scanning electron microscopy, X-ray diffraction and thermogravimetric analyses. In order to understand the behavior of the assayed concretes, their compressive strength and modulus of elasticity were evaluated during three years. Expansion tests and visual observations of the external surfaces of the concretes were also carried out for approximately five years. The results showed that pyrrhotite is the most reactive sulfide in the system, the main mineral responsible for the changes observed in the aggregates extracted from the concretes. The changes were diagnosed in the aggregates stored over time as well as in those employed as aggregates of the concretes. It was found that the oxidation process gives rise to the emergence of pathological events over time which affects the characteristics of concrete, promotes the expansion of this material, besides interfering in its elastic-mechanical properties. These effects resulted from the formation of deleterious products arising from the oxidation process itself and also from the chemical reactions between the aggressive ions released during this phenomenon and the compounds of the hydrated cement pastes. The investigated cements showed different behaviors with respect to sulfide attack. It was also verified that the higher the concentration of sulfides, specifically pyrrhotite, the more intense and expressive are the observed levels of deterioration in the investigated concretes over time. Lastly, it was evidenced that a high-moisture environment was an essential parameter to accelerate the oxidation process of these minerals contained in the aggregates used in the concretes.