Estudo das propriedades reológicas dos compósitos cimentícios de elevada capacidade de deformação tipo ECC com uso de fibras de polipropileno e combinações de pozolanas

Abstract

O Engineered Cementitous Composite (ECC) é uma classe de compósito cimentício desenvolvido com fibras que apresenta comportamento strain-hardening (endurecimento por tensão através de múltiplas microfissuras) após quando submetido a esforços tensores. Porém, a composição originária do ECC demanda até três vezes mais volume de cimento se comparado às misturas tradicionais. Na última década, no LEME/UFRGS, foram estudadas misturas de ECC mais sustentáveis através de materiais suplementares e fibras ecológicas, conceituando o greener ECC. Neste contexto, o presente trabalho analisa novas formulações de ECC com a suplementação por cinza de casca de arroz (CCA), resíduo agroindustrial abundante no Rio Grande do Sul, e escória de alto forno (EAF), um subproduto da produção do ferro gusa. Estes materiais já estão sendo utilizados pelo grupo de pesquisa do LEME, e a ideia de combinações binárias e ternárias é difundida como alternativa ao elevado consumo de cimento. O objetivo foi verificar a possibilidade de se obter uma mistura de ECC com menor impacto ambiental e maior trabalhabilidade, sem que houvesse uma perda de resistência (com referência de 10% da resistência média). Para entender o impacto do balanço dos materiais, foi empregado um traço padrão com fibras de polipropileno, em combinação binária com substituição do cimento em 40% e 50% por CCA; e introduzindo combinações ternárias onde 50% do cimento foi substituído, na sequência, por 20% de CCA e 30% de EAF, 30% de CCA e 20% de EAF e 40% de CCA e 10% de EAF. Para entender as alterações reológicas das misturas, foram realizados ensaios de mini slump-flow, índice de consistência, fluidez pelo cone de Marsh e viscosidade. Já, para verificar os impactos na resistência e assegurar que fosse mantido o comportamento de múltipla fissuração foram realizados ensaios de tração direta, flexão a quatro pontos e resistência a compressão axial, aos 28 dias de idade (considerado para projetos de engenharia). Quanto ao deslocamento causado pela tensão por flexão das misturas ternárias, aquela com 20% de EAF apresentou capacidade de até 84% superior ao traço de referência, porém com decréscimo de resistência na ordem de 50% os mesmos ensaios. A mesma mistura indicou aumento da trabalhabilidade até 18,48%, sendo que, através de testes estatísticos por ANOVA, percebeu-se que as mudanças de dosagem influenciaram significativamente nos resultados de trabalhabilidade. Pensando em viabilizar o uso em aplicações reais, remeteu-se os resultados a possíveis parâmetros de whitetopping. Neste caso, as resistências compressivas superam estimativas mínimas de projeto, já as de tração e flexão ficam abaixo do esperado, no entanto a trabalhabilidade e a pegada ambiental poderiam vir a suprir esta lacuna, ainda mais se considerado o fato de que materiais pozolânicos podem reagir em maiores idades.

Engineered Cementitious Composite (ECC) is a class of cementitious composite developed with fibers that exhibits strain hardening behavior (tension hardening through multiple microcracks) after being subjected to tensile exercises. However, the original composition of ECC demands up to three times more volume of cement compared to traditional mixtures. In the last decade, at LEME/UFRGS, more sustainable ECC mixtures were studied through supplementary materials and ecological fibers, conceptualizing the greener ECC. In this context, the present work analyzes new ECC formulations supplemented with rice husk ash (RCA), an agroindustrial waste abundant in Rio Grande do Sul, and blast furnace slag (EAF), a by-product of pig iron production. These materials are already being used by the LEME research group, and the idea of binary and ternary combinations is widespread as an alternative to the high consumption of cement. The idea was to verify the possibility of obtaining a more workable mixture of ECC with less environmental impact and greater workability, without significant loss (here taken as a loss above 10% of the average strength). To understand the impact of the material balance, a standard mix with polypropylene fibers was used, in binary combination with replacement of cement by 40% and 50% by CCA; and introducing ternary combinations where 50% of the cement was replaced, in sequence, by 20% CCA and 30% EAF, 30% CCA and 20% EAF and 40% CCA and 10% EAF. To understand the rheological alterations of the mixtures, tests of mini slump-flow, consistency index, fluidity through the Marsh cone and viscosity were carried out. In order to verify the impacts on strength and ensure that the multiple cracking behavior was maintained, direct traction, 4-point bending and axial compression strength tests were carried out at 28 days of age (considered for engineering projects). As for displacement by flexion of the ternary mixtures, the one with 20% EAF showed a capacity of up to 84% greater than the reference mix, but with a decrease in resistance of around 50%. This same mixture indicated an increase in workability of up to 18.48%, and through statistical tests by ANOVA, it was noticed that changes in dosage significantly influenced the workability results. Thinking about making its use feasible in real applications, the results were referred to possible whitetopping parameters. In this case, the compressive strengths exceed the minimum design estimates, while the tensile and bending strengths are below expectations, however the workability and the environmental footprint could come to fill this gap, even more so if you consider the fact that pozzolanic materials can react at older ages.