AVALIAÇÃO DA RETRAÇÃO AUTÓGENA DE CONCRETOS DE ALTO DESEMPENHO PRODUZIDOS COM CINZA DA CASCA DE ARROZ Amanda Pereira Vieira Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil. Orientador: Romildo Dias Toledo Filho Rio de Janeiro Março de 2018 Vieira, Amanda Pereira Avaliação da Retração Autógena de Concretos de Alto Desempenho Produzidos com Cinza da Casca de Arroz / Amanda Pereira Vieira. – Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2018. XX, 163 p.: il.; 29,7 cm. Orientador: Romildo Dias Toledo Filho Dissertação (mestrado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de Engenharia Civil, 2018. Referências Bibliográficas: p.5-21. 1. Concreto de Alto Desempenho. 2. Retração Autógena. 3. Cinza da Casca de Arroz. 4. Atividade Pozolânica 5. Caracterização Mecânica. I. Toledo Filho, Romildo Dias et al. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Civil. III. Título. iii “Não há comparação entre o que se perde por fracassar e o que se perde por não tentar.” Francis Bacon iv A GRADECIMENTOS Agradeço primeiro a Deus por tudo que aconteceu nesses dois anos de mestrado. Tudo na vida tem um propósito, independente do “bem” ou do “mal” que isso possa causar. No final ficam as experiências que nos ajudam a crescer e evoluir como pessoa. Tudo é perfeito do jeito que é. Gostaria de agradecer à minha mãe, ao meu pai e à minha irmã pelo apoio e pedir desculpas pelos momentos em que não pude estar presente. Gostaria de agradecer ao prof. Guilherme pelos primeiros ensinamentos, ainda na iniciação científica, tão fundamentais para a minha escolha profissional, pelo apoio, por tirar minhas dúvidas, pela amizade e por tudo. Agradeço ao prof. Romildo por ter aceitado me orientar, pela atenção e pela experiência de desfrutar da estrutura dos laboratórios NUMATS/LABEST. O meu muito obrigada aos técnicos e funcionários do NUMATS/LABEST. Adaílton, Alessandro, Alex, Anderson, Luzidelle, Marcelo, Márcio e Rosângela foi muito bom trabalhar com vocês. A todos os colegas mestrandos, doutorandos e alunos de iniciação científica. Em especial gostaria de agradecer aos meus amigos mais próximos pela companhia e amizade construída - ao Bruno que me ajudou com os desenhos da dissertação, ao Pedro pelo suporte em Word e Excel, à Camila pela ajuda quando cheguei na COPPE, à Vivian e à Iolanda por terem sido tão atenciosas comigo sempre que precisei. Agradeço aos técnicos e chefes dos laboratórios que trabalhei: CETEM, NEXMAT e LTM. Em especial ao Rangler e ao Thiago do LTM, ao Fabricio mestrando da UENF e ao Gilvan do CETEM. Gostaria de agradecer aos membros da banca pela presença, pelo tempo despendido na leitura do documento e pelas discussões geradas. À CAPES pelo apoio financeiro. v Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.) AVALIAÇÃO DA RETRAÇÃO AUTÓGENA EM CONCRETOS DE ALTO DESEMPENHO PRODUZIDOS COM CINZA DA CASCA DE ARROZ Amanda Pereira Vieira Março/2018 Orientador: Romildo Dias Toledo Filho Programa: Engenharia Civil Estudos apontam que a estrutura celular da cinza da casca de arroz (CCA) é capaz de reter água em seu interior, reduzindo a auto dessecação de concretos. Entretanto, não são apontados quais seriam o tamanho mediano (D ) de partícula e o 50 teor de substituição ideais para reduzir a retração autógena, e se diferentes teores de carbono residual presentes na CCA influenciam nesses resultados. Para o presente estudo, foram produzidos concretos de classe de resistência à compressão de 65 MPa e duas etapas de pesquisa estabelecidas. Na primeira etapa, avaliou-se a influência do D 50 e do teor de substituição por meio de um desenho de experimentos 22 com um ponto central. Foram selecionados teores de substituição de 8 a 12%, com D variando de 7 a 50 20 μm. Um concreto sem adição e outro com sílica ativa foram utilizados como referências. Na segunda etapa do estudo, avaliou-se a influência de teores de carbono iguais a 0,5, 6 e 12% na retração autógena do concreto contendo 12% de CCA com D 50 igual a 20 μm. O resultado da análise fatorial indicou que para reduzir a retração autógena duas situações foram possíveis: (i) partículas ultrafinas devem ser usadas em teores baixos de substituição; (ii) cinzas com D maior que 14 μm podem substituir o 50 cimento em teores maiores. O concreto com CCA 20 μm com 12% foi considerado como ótimo por apresentar maior teor de substituição. Ao comparar este resultado de retração com os obtidos para os concretos de referência, concluiu-se que, a CCA 20 μm foi capaz de mitigar a retração autógena dos concretos. Os estudos de caracterização da cinza e a medida do teor da umidade relativa interna dos concretos indicaram que o volume de mesoporos da CCA foi fundamental para reter água em seu interior e diminuir a autodessecação. A presença de altos teores de carbono residual das cinzas não influenciou os resultados de retração autógena em idades acima de 28 dias. vi Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.) EVALUATION OF AUTOGENOUS SHRINKAGE IN HIGH PERFORMANCE CONCRETE PRODUCED WITH RICE HUSK ASH Amanda Pereira Vieira March/2018 Advisor: Romildo Dias Toledo Filho Department: Civil Engineering Some studies have attributed to the porous morphology structure of the rice husk ash (RHA) its capacity to retain water and reduce the self-desiccation of concrete. However, the ideal particle size (D ) and the cement partial replacement level to reduce 50 autogenous shrinkage are not well specified, and also if the different residual carbon contents present in the RHA can affect these results. In this study, a 65 MPa- compressive strength concrete was produced aiming the study of autogenous shrinkage. For this, two experimental stages were established. In the first stage, the influence of D and cement replacement by RHA was evaluated through a 22-factorial design with a 50 central point. The cement replacement levels varying from 8 to 12% and D ranging 50 from 7 to 20 μm were selected. A concrete without mineral admixture and another with silica fume were used as references. In the second stage, the influence of 0.5, 6 and 12% of loss on ignition on RHA on autogenous shrinkage of concrete containing was evaluated. The results indicated two conditions for reducing concrete autogenous shrinkage: (i) ultrafine particles should be used at low replacement levels; (ii) ashes with D greater than 14 μm could replace the cement at high contents. The concrete 50 with 12% of 20 μm-RHA was considered the optimal since this mixture presented the higher replacement content. The significant decrease in concrete self-desiccation was due to the pore structure of the 20 μm-RHA, especially the volume of mesopores. The presence of high levels of residual carbon from the ashes did not influence the results of autogenous shrinkage at ages above 28 days. vii Índice Lista de Figuras ............................................................................................................... xi Lista de Tabelas ............................................................................................................. xvi Lista de Símbolos ........................................................................................................ xviii Capítulo 1. Introdução ...................................................................................................... 1 1.1. Objetivos ................................................................................................................ 3 1.2. Estrutura do trabalho .............................................................................................. 4 Capítulo 2. Revisão Bibliográfica .................................................................................... 5 2.1 O Cimento Portland e os Mecanismos de Hidratação ............................................ 5 2.2 As Pozolanas ........................................................................................................... 8 2.3 A Cinza da Casca de Arroz ..................................................................................... 9 2.4 O Concreto de Alto Desempenho ......................................................................... 13 2.5 A Retração Autógena ............................................................................................ 14 Capítulo 3. Programa Experimental ............................................................................... 22 3.1 Materiais Utilizados .............................................................................................. 24 3.1.1 A Cinza da Casca de Arroz ............................................................................ 24 3.1.2 O Cimento Portland de Alta Resistência Inicial............................................. 25 3.1.3 A Sílica Ativa ................................................................................................. 26 3.1.4 Os Agregados Naturais................................................................................... 30 3.1.5 O Superplastificante ....................................................................................... 32 3.1.6 A Água ........................................................................................................... 32 3.2 Dosagem dos Concretos Utilizando o Modelo de Empacotamento Compressível33 3.2.1 Resistência do Cimento Portland CP V ARI .................................................. 33 3.2.2 Criação do Banco de Dados ........................................................................... 34 3.2.3 Calibração dos Parâmetros “p” e “q” ............................................................. 34 Capítulo 4. Métodos Experimentais ............................................................................... 38 4.1 Métodos para a Caracterização dos materiais ....................................................... 38 4.1.1 Classificação Granulométrica ........................................................................ 38 4.1.2 Massa Específica ............................................................................................ 39 4.1.3 Adsorção de Gás: Superfície Específica e Porosidade ................................... 40 4.1.4 Composição de Óxidos e Perda ao Fogo ........................................................ 47 4.1.5 Difratometria de Raios X ............................................................................... 48 4.1.6 Análise por Microscopia Eletrônica de Varredura ......................................... 48 viii 4.1.7 Atividade Pozolânica...................................................................................... 49 4.1.8 Fração Solúvel de Sílica ................................................................................. 50 4.1.9 Compacidade Experimental ........................................................................... 51 4.1.10 Ponto de Saturação e Compatibilidade......................................................... 53 4.2 Preparação dos Materiais ...................................................................................... 54 4.2.1 Homogeneização dos materiais ...................................................................... 54 4.2.2 Requeima da cinza da casca de arroz ............................................................. 54 4.2.3 Moagem das cinzas da casca de arroz ............................................................ 55 4.3 Estudo da Hidratação em Pastas ........................................................................... 56 4.3.1 Quantificação dos Produtos de Hidratação por Análise Termogravimétrica . 56 4.3.2 Calorimetria Isotérmica .................................................................................. 61 4.3.3 Retração Química ........................................................................................... 63 4.4 Metodologia para a Produção dos Concretos ....................................................... 64 4.5 Estudo dos Concretos ............................................................................................ 67 4.5.1 Propriedades Mecânicas ................................................................................. 67 4.5.2 Porosimetria por Intrusão de Mercúrio .......................................................... 68 4.5.3 Retração Autógena ......................................................................................... 70 4.5.4 Umidade Relativa Interna............................................................................... 74 4.6 Análise Estatística dos Resultados ........................................................................ 75 4.6.1 Influência do Tamanho e do Teor de Substituição de Cinza da Casca de Arroz 76 4.6.2 Influência do Teor de Carbono Residual da Cinza da Casca de Arroz .............. 77 Capítulo 5. Resultados .................................................................................................... 78 5.1 Produção e Caracterização das CCA´s ................................................................. 78 5.1.1 Cinza da Casca de Arroz com Diferentes Morfologias .................................. 78 5.1.1.1 Requeima da Cinza Residual da Casca de Arroz .............................. 78 5.1.1.2 Cinzas da Casca de Arroz de Diferentes Granulometrias.................. 80 5.1.2 Cinza da Casca de Arroz com Diferentes Teores de Carbono ....................... 94 5.2 Estudo da hidratação em pastas com CCA ......................................................... 100 5.2.1 Influência do Tamanho e do Teor de substituição ....................................... 100 5.2.1.1 Estudo da Cinética da Hidratação por Calorimetria isotérmica ...... 100 5.2.1.2 Quantificação dos produtos de hidratação ....................................... 108 5.2.2 Influência do Teor do Carbono Residual na Hidratação das Pastas ............. 111 5.2.2.1Estudo da Cinética de Hidratação por Calorimetria Isotérmica ....... 111 5.2.2.2 Quantificação dos Produtos de Hidratação ...................................... 112 ix 5.3 Estudo dos Concretos de Alto Desempenho ....................................................... 114 5.3.1 Influência do Tamanho e do Teor de Substituição no Comportamento sob Compressão Uniaxial ............................................................................................ 114 5.3.2 Influência do Tamanho e do Teor de Substituição da Cinza da casca de arroz na Porosidade Total ............................................................................................... 122 5.3.3 Influência do Tamanho e do Teor de Substituição na Retração Autógena .. 125 5.3.4 Influência do Tamanho e do Teor de Substituição – Estudos Complementares ............................................................................................................................... 135 5.3.4.1 Retração Química ............................................................................ 135 5.3.4.2 Umidade Relativa Interna ................................................................ 136 5.3.5 Influência do Teor de Carbono Residual no Comportamento sob Compressão Uniaxial ................................................................................................................. 137 5.3.6 Influência do Teor de Carbono Residual na Retração Autógena ................. 139 Capítulo 6. Conclusões ................................................................................................. 142 Capítulo 7. Sugestão para Trabalhos Futuros ............................................................... 145 Capítulo 8. Referências Bibliográficas ......................................................................... 146 Capítulo 9. Anexos ....................................................................................................... 156 9.1 Estudo da Influência do Tamanho Mediano de Partículas e Teor de Substituição das Cinzas da Casca de Arroz ................................................................................... 156 9.1.1 Análise de Variância e Teste de Tukey para os Resultados de Resistência à Compressão ........................................................................................................... 156 9.1.2 Análise Fatorial dos Resultados de Resistência à Compressão Uniaxial dos Concretos com Cinza da Casca de Arroz .............................................................. 158 9.1.3 Análise Fatorial da Retração Autógena dos Concretos com Cinza da Casca de Arroz...................................................................................................................... 160 9.1.4 Análise de Variância e Teste de Tukey para os Resultados de Retração Autógena ............................................................................................................... 160 9.2 Estudo da Influência do Teor de Carbono Residual das Cinzas da Casca de Arroz .................................................................................................................................. 161 9.1.1 Análise de Variância e Teste de Tukey para os Resultados de Resistência à Compressão ........................................................................................................... 161 9.1.2 Análise de Variância e Teste de Tukey para os Resultados de Retração Autógena ............................................................................................................... 162 x