Modelo XXVISNGB - Comitê Brasileiro de Barragens

COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS
XXVI SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS
GOIÂNIA – GO, 11 A 15 DE ABRIL DE 2005
T.96 A18
COMPARAÇÃO ENTRE DIFERENTES ENSAIOS PARA A INVESTIGAÇÃO DA
REAÇÃO ÁLCALI-CARBONATO
Ana Lívia Zeitune de Paula SILVEIRA
Geóloga – Furnas Centrais Elétricas S.A.
Edi Mendes GUIMARÃES
Geóloga Drª – Universidade de Brasília
Elcio Antônio GUERRA
Pesquisador – Fundação COPPETEC
Antônio Sales TEIXEIRA
Geólogo – Brasil Minérios Lltda
RESUMO
A reação Álcali-Agregado (RAA) tem sido uma preocupação crescente nas obras de
engenharia, uma vez que pode comprometer o desempenho e durabilidade das
estruturas de concreto, principalmente em barragens. É essencial que a reatividade
potencial dos agregados seja avaliada antes da utilização destes em concretos. Os
ensaios para a determinação desta reatividade têm apresentado resultados
satisfatórios para algumas rochas, porém para rochas carbonáticas estes resultados,
em alguns casos apresentam-se poucos seguros. Estes resultados contraditórios
podem ser observados neste trabalho, onde seis tipos litológicos carbonáticos, foram
submetidos a diferentes ensaios, como análises química, por DRX, petrográficas e
ensaios do cilindro de rocha e reatividade potencial acelerada.
ABSTRACT
The alcali-agregate reaction has been an increasing worry in engineering
undertakings nowadays as it may endanger the performance and durability of
concrete structures, especially in dams. To prevent this, a previous study of the
potential reactivity of aggregates is essential before its use in concrete. Some essays
carried out to determine this reactivity have shown good results for some types of
rocks. But for carbonatic rocks the results have not proved to be safe enough. These
contradictory results can be found in this paper where six different carbonatic
lithological types were submitted to different tests as wet assay, petrographic
analysis, X-ray diffraction, besides rock cylinder test and accelerated potential
reactivity.
XXVI Seminário Nacional de Grandes Barragens
1
1.
INTRODUÇÃO
A RAA é um processo químico onde alguns constituintes do agregado reagem com
hidróxidos alcalinos, que estão dissolvidos na solução do concreto. Essas reações
são divididas em três tipos deletérios: Reação Álcali-Sílica, Reação Álcali-Silicato e
Reação Álcali-Carbonato.
O presente trabalho concentra-se na Reação Álcali-Carbonato e o objetivo desta
investigação é estudar diferentes agregados carbonáticos, os quais servirão como
base para entender as diferentes mineralogias que podem estar presentes nos
agregados utilizados em concretos na construção de barragens e entender como
afetam na RAA.
Os estudos sobre os mecanismos da reação álcali-carbonato foram iniciados na
década de 50, principalmente pelos chineses, devido a problemas de deterioração
de estruturas de concreto, que tinham a rocha carbonática como agregado. Estes
estudos não tiveram muito êxito e logo foram diminuindo o interesse pelo assunto.
Porém, pelo recente aparecimento de novos casos de deterioração de concreto
usando a rocha carbonática como agregado em obras de barragens, veio a
necessidade de novos estudos.
Segundo Ozol[1], várias reações envolvem as rochas carbonáticas, entre dolomíticas
e não dolomíticas, embutidas em concretos ou argamassa, tendo como reconhecida,
apenas uma, a expansão da reação de desdolomitização, que é o grande problema
nas construções de concreto em barragens.
Segundo Paulon[2], a excessiva expansão e excessiva fissuração do concreto
ocorrem quando certos calcários dolomíticos são usados como agregado graúdo
para concreto. Esta é uma reação álcali-agregado completamente distinta das
reações do tipo álcali-sílica ou álcali-silicato.
A reação em termos gerais ocorre quando o constituinte dolomítico é quimicamente
atacado pelos álcalis do cimento, reação chamada desdolomitização, que resulta na
formação de brucita, carbonato alcalino e carbonato cálcico.
Conforme David Hadley in [2], a expansão dessas rochas dolomíticas, acompanha a
seguinte reação entre os álcalis e a dolomita:
CaMg(CO3)2 + 2MOH
Dolomita
M2CO3 + Mg(OH)2 + Ca CO3
Brucita Calcita
(1)
Onde:
M representa K, Na ou Li.
No concreto, o carbonato alcalino produzido na reação
desdolomitização, reage com os produtos da hidratação do cimento:
Na2CO3 + Ca(OH)2
XXVI Seminário Nacional de Grandes Barragens
2NaOH + CaCO3
chamada
de
(2)
2
Como a reação regenera os hidróxidos alcalinos, a reação de desdolomitização terá
continuidade até que a dolomita tenha reagido por completo, ou até que a
concentração de álcalis tenha sido suficientemente reduzida por reações
secundárias. A reação ocorre com a máxima intensidade quando a calcita e a
dolomita estão presentes em quantidades aproximadamente iguais ou quando
ambas estão finamente divididas [2].
Até hoje existem consideráveis divergências sobre o provável mecanismo da reação.
Várias hipóteses têm sido enunciadas. A reação álcali-carbonato é uma reação bem
complexa e a falta de ensaios laboratoriais específicos e mais seguros, fez a
necessidade e o interesse pelo presente trabalho. Este trabalho focaliza o interesse
em novos estudos sobre a reação álcali-carbonato, não apenas fixando o problema
na desdolomitização, mas procurando entender e encontrar os fatores que
desencadeiam essa reação.
2.
LOCALIZAÇÃO DAS AMOSTRAGENS
As seis amostras estudas foram coletadas em lugares diferentes, sempre com a
preocupação de investigar a mineralogia e a origem. Na Tabela 1 encontra-se a
apresentação destas rochas.
REGISTRO
4.0284.2003
4.0285.2003
4.0286.2003
4.0289.2003
4.0290.2003
4.0291.2003
LOCALIZAÇÃO
Vila Propício (GO).
Entorno do Distrito Federal
Portelândia (GO).
Alto Garça (MT)
LITOLOGIA
Mármore Dolomítico
Calcário Recristalizado
Calcário
Calcilutito Dolomítico
Bio-calcilutito Dolomítico
Bio-dololutito
Bio-calcilutito dolomítico
TABELA 1: Localização e Litologia das Amostras Estudadas
2.1. FAIXA BRASÍLIA - GRUPO PARANOÁ
Encontra-se neste Grupo as rochas procedentes do entorno do Distrito Federal, e da
região de Vila Propício (GO). Na área do entorno do Distrito Federal existem pelo
menos 10 lentes de calcário, de tamanho variado, situadas na Unidade - Pelito
Carbonatada do Grupo Paranoá. Essa unidade geológica é constituída por
metargilitos, ardósias e metassiltitos, com lentes de calcário.
A lente que foi objeto da amostragem por esse estudo está posicionada dentro de
metargilitos e metassiltitos de coloração creme. O calcário, finamente laminado, tem
coloração cinza-escura e textura cristalina fina. Ocorrem níveis de calcário preto, no
topo da lente, apresentando microfraturas verticais preenchidas por calcita branca.
As rochas carbonatadas de Vila Propício afloram por cerca de 30km de
comprimento, na direção geral nordeste/sudoeste, formando um conjunto de lentes
de calcários e dolomitos que iniciam a sudeste da referida cidade e terminam
próximo ao entroncamento das rodovias Goianésia/Dois Irmãos e Cocalzinho de
Goiás/Dois Irmãos.
XXVI Seminário Nacional de Grandes Barragens
3
2.2 . BACIA SEDIMENTAR DO PARANÁ - GRUPO PASSA DOIS
Encontram-se neste Grupo as rochas procedentes de Alto Garça (MT) e Portelândia
(GO).
As rochas procedentes de Alto Garça (MT) encontram-se no nível de calcário que se
situa na base da Formação Corumbataí, contato com a Formação Irati. O nível
carbonatado lavrado é caracterizado por um pacote superior, de cerca de 3m de
espessura, de composição magnesiana e coloração cinza-clara, cristalino fino e
estrutura marcada por estratificações plano-paralelas, contendo nódulos de chert
preto. O pacote inferior tem aproximadamente 7m de espessura, coloração rosada,
microcristalino, estrutura laminada e organizada em bancos decimétricos. Apresenta
disseminações de nódulos de chert preto disseminados.
As rochas procedentes do município de Portelândia-GO ocorrem em um pacote de
dolomito de aproximadamente 5m de espessura. Acima deste nível ocorre uma
seqüência de folhelho negro, alternado ritmicamente com dolomito cinza. Abaixo
ocorre a mesma seqüência de dolomitos, além de brechas intraformacionais
sobrepostas aos arenitos de coloração creme da Formação Aquidauana.
O Dolomito desse local tem coloração cinza, é cristalino fino e possui estrutura
finamente estratificada, originada por estratificações plano-paralelas. Essa
estratificação é originada por filmes milimétricos de folhelho negro. Nesses níveis é
comum a presença de fósseis de Mesosaurus Brasilienses e por dentes de tubarão.
A rocha apresenta-se muito fraturada, sendo que as fraturas são geralmente
preenchidas por cristais neoformados de pirita. Localmente aparecem níveis
centimétricos de chert preto.
3.
MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 . MATERIAIS UTILIZADOS
Para a confecção das barras de argamassas, do ensaio de Reatividade Potencial –
Método Acelerado, utilizou-se o cimento CP I com alto teor de álcalis e as análises
dos álcalis totais e solúveis encontram-se na Tabela 2.
Cimento CP I
(1.1366.2003)
Na2O
0,30
Álcalis Totais (%)
Equivalente
K2O
Alcalino
0,88
0,88
Álcalis Solúveis em Água (%)
Na2O
K2O
Equivalente Alcalino
0,21
0,75
0,70
TABELA 2: Análise dos Álcalis Totais e Solúveis do Cimento CPI utilizado no Ensaio
As rochas utilizadas como agregados para este estudo estão apresentadas na
Tabela 1, juntamente com a sua classificação petrográfica.
XXVI Seminário Nacional de Grandes Barragens
4
3.2 . MÉTODOS DE ENSAIO E DE ANÁLISES
São apresentados neste trabalho 5 ensaios, os quais foram realizados segundo
procedimentos específicos dos Laboratórios de Solos e Concreto, do Departamento
de Apoio e Controle Técnico de FURNAS Centrais Elétricas S.A. Estes ensaios e
seus respectivos procedimentos e normas baseadas estão apresentados na Tabela
3.
Nome do Ensaio e Análises
Análise Petrográfica
Análise por Difração de Raios-X.
Determinação de Álcalis Solúveis de Cimentos
Agregados - Reatividade Potencial Pelo Método
Verificação
Metodologia
ASTM C-295
Acelerado
-
Álcalis Totais de Cimentos
NBR5747/89
Agregados - Reatividade Potencial De Rochas Carbonáticas Verificação
Determinação de enxofre na forma de sulfeto e sulfato em agregados
ASTM C114/03
ASTM C1260/01
NBR 10340/88 e ASTM C –
586/92
NBR NM 16
Determinação do teor de álcalis disponíveis em materiais pozolânicos
ASTM C 311/02 e NBR NM 25/03
e agregados
Análise química Determinação dos Óxidos de Cálcio, Magnésio, Ferro
NBR NM 11-2/04
e Alumínio pelo Método da Complexometria
Análise química – Determinação da Perda ao Fogo
NBR NM 18/04
Análise química - Determinação do Teor de Dióxido de Silício
NBR NM 22/04
TABELA 3: Ensaios e Análises, e seus respectivos procedimentos e normas.
As análises petrográficas microscópicas foram realizadas utilizando-se o microscópio
ótico de luz transmitida e refletida, com o objetivo de classificar a rocha e estimar a
mineralogia presente, principalmente no que se refere aos carbonatos, silicatos e
sulfetos. Neta etapa preocupou-se em fazer uma amostragem representativa,
portanto foram separadas em média 10 amostras por registro, porém será
apresentada uma média entre elas.
As análises químicas utilizaram vários métodos como pode ser observado na Tabela
4. O objetivo desta análise é quantificar os elementos químicos presentes nos
agregados e correlacioná-los com a reatividade potencial, a fim de identificar qual é
mais susceptível a RAA.
Nome das Análises
Determinação de enxofre na forma de sulfeto e sulfato em
agregados
Determinação do teor de álcalis disponíveis em materiais
pozolânicos e agregados
Análise química Determinação dos Óxidos de Cálcio, Magnésio,
Ferro e Alumínio pelo Método da Complexometria
Metodologia
NBR NM 16
ASTM C 311/02 e NBR NM
25/03
NBR NM 11-2/04
Análise química – Determinação da Perda ao Fogo
NBR NM 18/04
Análise química - Determinação do Teor de Dióxido de Silício
NBR NM 22/04
TABELA 4: Análises e seus respectivos procedimentos e normas.
As análises por Difração de Raios-X (DRX), objetivam a identificação das fases
minerais, principalmente no que se refere aos argilominerais expansivos (esmectitas,
dentre as quais a montmorilonita). As amostras foram submetidas a uma moagem
prévia em moinho (100% passante na peneira 400 mesh). O objetivo é obter de
material representativo de granulação bem fina.
XXVI Seminário Nacional de Grandes Barragens
5
Uma parte do material foi colocado em um suporte plástico circular de orifício plano
sendo submetido a uma leve compressão e levado ao Difratômetro de Raios-X para
análise pelo Método do Pó não-orientado (Amostra Integral).
Na seqüência, procedeu-se à separação da fração argila destas amostras por
sedimentação em coluna, seguida por montagem de 03 lâminas de vidro orientadas,
ou seja, apenas com deslizamento de uma lâmina sobre a que contém a “lama” para
orientação.
Fez-se uma análise da lâmina seca ao ar, outra com a lâmina solvatada em etilenoglicol e outra após calcinação. A etapa de glicolagem ocorreu em dessecador,
colocado sobre chapa aquecida a 50oC, por 12 horas, para garantir a completa
saturação da atmosfera interna. Após a retirada das amostras do dessecador, as
mesmas foram levadas imediatamente ao Difratômetro de Raios-X para análise. A
outra etapa foi a calcinação em 550ºC da “fração argila”.
Para o ensaio de reatividade potencial – método acelerado foram preparadas barras
de argamassa na proporção 1:2,25, conforme estabelecido no método de ensaio
ASTM C-1260/01, mantendo a relação água/cimento igual 0,47. As barras de
argamassa são imersas em uma solução de NaOH a 1N e ficam mantidas a uma
temperatura de 80ºC, por 30 dias.
Para o ensaio o dos Cilindros de Rocha foram extraídos minitestemunhos, na forma
cilíndrica da rocha, com 9mm de diâmetro e 35mm de comprimento, que foram
imersos em água destilada até que houvesse variação inferior a 0,02% de
comprimento. Após esta etapa foram imersos em solução de NaOH a 1N e mantidos
em temperatura ambiente por aproximadamente 365 dias. O objetivo deste ensaio é
o de acompanhamento da variação de comprimento dos minitestemunhos para se
determinar as expansões geradas na rocha.
4.
RESULTADOS OBTIDOS
Os resultados das análises petrográficas, química e por Difração de Raios-X (DRX)
são apresentados na Tabela 5.
Os resultados dos ensaios de reatividade potencial – método acelerado e do Cilindro
de Rocha, juntamente com a litologia, estão apresentados na Tabela 6.
Para uma melhor visualização dos ensaios de Reatividade Potencial – Método
Acelerado e da Reatividade Potencial para Rochas Carbonáticas – Método do
Cilindro de Rocha, apresentam-se, as Figuras 1 e 2, respectivamente.
XXVI Seminário Nacional de Grandes Barragens
6
FIGURA 1: Apresentação dos valores obtidos dos ensaios de Reatividade Potencial
– Método Acelerado.
Em relação à norma ASTM C-1260/01, os seguintes parâmetros são apresentados
para a expansão provocada pela reação álcali-agregado, no ensaio de Reatividade
Potencial – Método Acelerado, utilizando o cimento CPI, com alto teor de álcalis:
- Expansão inócua para valor menor que 0,10% aos 16 dias de ensaio, contados a
partir da moldagem;
- Expansão deletéria para valor maior que 0,20% aos 16 dias de ensaio, contados a
partir da moldagem; e
- Valor entre 0,10% e 0,20% aos 16 dias pode ser, tanto expansão inócua, quanto
deletéria, sendo, pois, necessárias informações suplementares sobre os materiais
em evidência, ou ainda, acompanhamento da variação de comprimento até a idade
de 28 dias.
A natureza da expansão foi deletéria para os agregados 4.0286.2003, 4.0290.2003 e
4.0291.2003 combinados com o cimento com alto teor de álcalis, com análise feita
na idade de 30 dias.
XXVI Seminário Nacional de Grandes Barragens
7
FIGURA 2: Apresentação dos Valores obtidos dos Ensaios de Reatividade Potencial
para Rochas Carbonáticas – Método do Cilindro de Rocha.
Os resultados Reatividade Potencial para Rochas Carbonáticas – Método do Cilindro
de Rocha confirmam algumas experiências passadas, nos quais alguns autores [4]
dizem que este método não mostra a reatividade potencial destas rochas
carbonáticas. Como exemplo, a amostra 4.0286.2003, que se apresentou como não
reativa por este método, como pode ser visto na Figura 2, o qual considera pela
ASTM C-586, que apenas expansão superior a 0,10%, é um indicativo de reação,
porém nos ensaios de Reatividade Potencial – Método Acelerado, foi o que
apresentou maior expansão, como pode ser visto na Figura 1.
Uma das explicações para essa diferença de resultado pode ser a falta de
representatividade do Método do Cilindro de Rocha, uma vez que é retirada uma
amostra muito pequena. Mesmo sendo três amostras para um ensaio é difícil
conseguir essa representatividade.
Segundo a ASTM C-295 [3], a rocha é considerada reativa se for constituída de uma
matriz fina de calcita e argila envolvendo cristais de dolomita. Essa é outra
contradição, pois como novamente mostra a amostra 4.0286.2003, que pelas
análises petrográficas apresentou 95-100% de calcita; menos que 1% de quartzo e
opacos, mesmo que na DRX apresentou a dolomita, foi apenas como mineral traço,
pelo ensaio de reatividade comportou-se como deletério.
XXVI Seminário Nacional de Grandes Barragens
8
TABELA 5: Apresentação dos Resultados das Análises Petrográficas, Químicas e
por DRX das amostras estudadas.
REGISTRO
4.0284.03*
4.0285.03
LITOLOGIA
Mármore
Dolomí-tico
Calcário
Recristalizado
4.0286.03
Calcário
4.0289.03
Calcilutito
Dolomítico
4.0290.03
4.0291.03
Biocalcilutito
Dolomí-tico
Biodololutito
Biocalcilutito
dolomí-tico
COMPOSIÇÃO ESTIMADA (%)
R.P.M.A (dias)
16
30
3
Dolomita: 85-90; calcita: 3-5; sericita:
5-10; quartzo: <5; e opacos: <5.
0,03
0,05
-
-
-
-
Calcita:
95-99;
quartzo:<1
0,03
0,05
-0,01
-0,02
-0,02
-0,02
0,33
0,47
-0,01
0,00
0,00
0,00
0,04
0,05
-0,01
-0,02
-0,02
-0,03
0,23
0,33
0,30
0,31
0,30
0,29
0,20
0,25
1,60
1,56
1,54
1,53
opacos:
Calcita: 95-100; quartzo:
opacos:< 1.
Calcita: 85-90; dolomita:
opacos: <5; chert: <1.
<5;
<
1;
12
5-10;
calcita: 85-90; dolomita: 10-15;
quartzo: 1; opacos: <1;
chert :traços.
dolomita: 90-95; calcita: <5; quartzo:
1; opacos: 1-2.
calcita: 90-95; dolomita:
quartzo+opacos: 1-2%.
R. M-T (meses)
6
9
5-10;
Legenda:
R.P.M.A – Reatividade Potencial - Método Acelerado;
R.MT – Reatividade Potencial para Rochas Carbonáticas – Método do Cilindro de Rocha;
*Não foi possível a extração do minitestemunho.
TABELA 6: Apresentação dos Resultados dos Ensaios de Reatividade Potencial –
Método Acelerado e Cilindro de Rocha das Amostras estudadas.
Observando os resultados das análises químicas, também não há como relacionar a
potencialidade da reatividade, como por exemplo, a amostra que apresentou a maior
quantidade de MgO, como a 4.0284.2003, comportou-se como inócua, no ensaio de
XXVI Seminário Nacional de Grandes Barragens
9
reatividade potencial – método acelerado. Além, que pela análise petrográfica a
rocha apresenta 85 a 90% de dolomita, porém o MgO pode estar combinado com
outro mineral também, como a ilita e esmectita por exemplo.
5.
CONCLUSÃO
Para os resultados obtidos até o presente, conclui-se que:
-
-
-
Os resultados obtidos nos ensaios de caracterização da Reatividade
Potencial são contraditórios, como observados nos valores apresentados
pelos ensaios de Cilindro de Rocha, Reatividade Potencial – Método
Acelerado, Petrografia, Análise Química e por Difração de Raios-X.
O cuidado com a representatividade da amostragem tem que ser levado em
consideração.
Apenas um ensaio não é suficiente para caracterizar a reatividade da rocha e
há a necessidade do cruzamento das informações obtidas pelos ensaios para
entender a evolução e o caráter da Reação Álcali-Agregado.
Ensaios adicionais com prismas de concreto (ASTM C-1105/95), encontramse em andamento para agregar valores na conclusão da Reação ÁlcaliCarbonato, além de análises por Microscopia Eletrônica de Varredura.
6.
AGRADECIMENTOS
O presente trabalho faz parte do projeto de pesquisa e desenvolvimento intitulado
Viabilização do Uso de Agregados Carbonáticos em Obras de Barragens,
coordenado e gerenciado pelo Departamento de Apoio e Controle Técnico de
Furnas Centrais Elétricas S.A., aprovado para o ciclo 2001/2002 pela Agência
Nacional de Energia Elétrica – ANEEL. Por tanto, a equipe agradece a FURNAS
CENTRAIS ELÉTRICAS S.A. e a ANEEL, em primeiro lugar, por possibilitar a
realização deste trabalho, assim como sua divulgação. E a todos que trabalharam
diretamente ou indiretamente neste projeto, como todos os técnicos que realizaram
estes ensaios, em particular Dorival Tizzo, Renato Batista, Fernanda Mendonça,
Álvaro Donizete, Aristides, as geólogas Heloisa Helena A. B. da Silva e Maria
Celene Barbosa Ferreira, e os engenheiros Rubens Machado Bittencourt, Sérgio
Veiga Fleury, Renato Cabral Guimarães e Nicole Pagan Hasparyk Andrade, que
participam e incentivam este projeto.
7.
PALAVRAS-CHAVE
Reação álcali-carbonato, reatividade, reatividade potencial, agregado e durabilidade.
8.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] OZOL, M. A. (1994) “Alkali-Carbonate Rock Reaction”. In: Klieger , P.,
Lamond, J. F. “Significance of test and properties of concrete and concretemaking materials” (ASTM/STP 169C). Philadelphia, ASTM, 1994. p.372-387.
XXVI Seminário Nacional de Grandes Barragens
10
[2] PAULON, V. A. (1981) “Reação Álcali-Agregado em Concreto”. São Paulo,
1981. 114p. Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica da USP.
[3] FONTOURA, J. T. F. (1997) “Investigação sobre Reação Álcali-Agregado –
RAA. Metodologia de Ensaio. Simpósio Sobre Reatividade Álcali-Agregado
em Estruturas de Concreto”. Tema 1.
[4] RAMEZANIANPOUR, A. A. (2003) “Comparative Study to Evaluate the
Reactivity of Aggregates”. 11th International Congress on the Chemistry of
Cement (ICCC).
XXVI Seminário Nacional de Grandes Barragens
11