Resistência à compressão residual e mineralogia de cimentos LC³ expostos a elevadas temperaturas

Residual compressive strength and mineralogy of LC³ cements exposed to elevated temperatures

RESUMO

Este estudo teve por objetivo avaliar a resistência à compressão residual de argamassas de cimento LC³ após a exposição à elevadas temperaturas (200, 400, 600, 800 e 1000 °C), em comparação com uma argamassa de cimento Portland (CP). Paralelamente, o efeito da temperatura na mineralogia de ambas as composições foi avaliado através da técnica de difração de raios-X (DRX). Os resultados de resistência à compressão revelaram que as argamassas à base de cimento LC³ apresentaram um desempenho mecânico equivalente ao das argamassas à base de CP após 28 dias de hidratação, independentemente das temperaturas testadas (23, 200 e 320 °C). Adicionalmente, os resultados de DRX indicaram que, mesmo com a decomposição da etringita e das fases AFm a partir de 200 °C, não foram observadas reduções na resistência à compressão dos sistemas LC³ para temperaturas de até 320 °C. Foi identificada a formação da fase ghelenita nos sistemas LC³ para temperaturas superiores a 800 °C. Este estudo demonstrou que os sistemas LC³ exibiram um comportamento mecânico equivalente ao CP quando submetidos a altas temperaturas. Esses resultados oferecem contribuições significativas para a validação e potencial aplicação prática desse cimento alternativo com menor impacto ambiental.

Palavras-chave
cimento; LC³; temperatura; difração de raios-X

ABSTRACT

This study aimed to evaluate the residual compressive strength of LC³ cement mortars after exposure to high temperatures (200, 400, 600, 800, and 1000 °C), in comparison to a Portland cement (PC) mortar. Concurrently, the effect of temperature on the mineralogy of both compositions was assessed using X-ray diffraction (XRD) analysis. The compressive strength results revealed that LC³ cement-based mortars exhibited mechanical performance equivalent to PC-based mortars after 28 days of hydration, regardless of the tested temperatures (23, 200, and 320 °C). Additionally, XRD results indicated that even with the decomposition of ettringite and AFm phases starting at 200 °C, there were no reductions in the compressive strength of LC₃ systems up to 320 °C. The formation of ghelenite phase was identified in LC³ systems at temperatures above 800 °C. This study demonstrated that LC₃ systems displayed mechanical behavior equivalent to PC when subjected to high temperatures. These findings offer significant contributions to the validation and potential practical application of this environmentally-friendly alternative cement.

Keywords
cement; LC³; temperature; X-ray diffraction

1. INTRODUÇÃO

O ramo da construção civil tem grande expressividade na economia brasileira e mundial, sendo o cimento o insumo fundamental dessa cadeia produtiva, constituinte primordial para concretos e argamassas. A indústria cimentícia é responsável por cerca de 8–9% das emissões globais de dióxido de carbono (CO₂) [¹], sendo este o principal gás causador do efeito estufa. Conforme o Sindicato Nacional da Indústria do Cimento, em 2019, foram emitidas 0,564 toneladas de CO₂ para cada tonelada de cimento produzida no Brasil, contra uma média mundial de 0,633 t CO₂/t cimento [²]. Das fontes de emissões de CO₂ provenientes da fabricação de cimento, cerca de 50% das emissões são resultantes do processo de calcinação, 10% ao seu transporte e uso de eletricidade e os 40% restantes provenientes da queima de combustíveis fósseis [³, ⁴].

Devido à crescente demanda apresentada pelo setor cimenteiro, se faz necessário a procura por meios de mitigar os impactos ambientais que são gerados pela sua produção, sendo crucial uma redução média anual de 4% de emissões de CO₂ até 2030 do setor, a fim de que se possa atingir o Cenário de Emissões Líquidas Zero (NZE) até 2050 [⁵]. Conforme o roteiro Cement Technology Roadmap as quatro estratégias mais eficientes para que se possa reduzir de maneira eficaz as emissões de CO₂ a curto e longo prazo é por meio da: i) redução da quantidade de clínquer no cimento, ii) utilização de combustíveis alternativos com menor emissão de dióxido de carbono, iii) melhorar a eficiência energética e iv) implantação de tecnologias inovadoras como a captura, estocagem e utilização de carbono [⁵,⁶,⁷].

Uma alternativa para reduzir a quantidade de clínquer no cimento é por meio do emprego de materiais cimentícios suplementares (MCS). Os MCS mais empregados no Brasil são as cinzas volantes, escórias de alto forno, argilas calcinadas e o fíler de calcário. Contudo, a disponibilidade de alguns destes materiais é limitada em várias regiões e o aumento do valor da escória de alto forno devido a sua demanda crescente [⁸], destaca-se como um limitante para o uso mais amplo desse material. Por outro lado, a argila calcinada e o calcário são materiais com ampla disponibilidade para atender a demanda da indústria de cimento, já que são procedentes de depósitos geológicos naturais, não necessitando de qualquer outro processo produtivo para a sua geração [⁹]. A distribuição geográfica desses materiais atenderia a indústria cimenteira já que possuem reservas de argila comum e calcário em todo território nacional [¹⁰].

Nessa conjuntura, é importante considerar que grandes distâncias de transporte de matérias-primas para a produção de cimentos podem acarretar emissões de gases do efeito estufa e custos expressivos, impactando significativamente nas análises do ciclo de vida dos materiais. Tais aspectos limitam e restringem o raio de alcance dos depósitos de argila e calcário com potencial para aplicação na produção deste tipo de cimento para uma dada região. Nas análises quantitativas realizadas por MILLER [¹¹] a respeito do impacto ambiental da MCS considerando como base as emissões de gases de efeito estufa verificou-se que o transporte, tanto em termos de distância quanto de modo, pode superar os benefícios associados ao uso destes materiais. CORDOBA et al. [¹²] observaram que para distâncias de transporte relativamente curtas (<500 km) e níveis de substituição de cimento por MCS de até 25%, a influência do transporte nas emissões de CO₂/m³ é insignificante (≤1,12%). No entanto, para distâncias de transporte longas (>2500 km), o CO₂/m³ relacionado ao transporte de MCS pode atingir valores de 9,62%, o que poderia contrapor a redução das emissões devido ao uso de MCS. Esses valores seriam ainda mais significativos para maiores teores de substituição de CP por MCS, como é o caso dos cimentos Limestone Calcined Clay Cement (LC³).

O LC³ é um tipo de cimento composto por argila calcinada e fíler calcário. Essa mistura ternária desenvolvida recentemente pode reduzir em até 50% o teor de clínquer, visando assim, diminuir de 25 a 35% das emissões de CO₂ provenientes da fabricação do CP [¹³]. O traço de LC³ mais empregado em pesquisas, tem como proporções em massa de e 50% de clínquer, 30% de argila calcinada, 15% de calcário e 5% de sulfato de cálcio [⁹]. Segundo ANTONI et al. [¹⁴], a substituição e incorporação de metacaulim e calcário em cimento Portland podem proporcionar um bom desempenho em idades precoces das matrizes cimentícias. Quando empregado argilas calcinadas com um teor de caulinita igual ou superior a 40%, a resistência à compressão é semelhante ao do cimento Portland Comum a partir de 7 dias. Deve-se ter em vista que o principal fator predominante para a evolução da resistência é o teor de caulinita nas argilas, correspondendo por mais de 95% da variação a partir de 7 dias [¹⁵]. Quando comparado o desenvolvimento de resistência a compressão entre concretos produzidos com CP e LC³, tendo proporções semelhantes de mistura, os concretos produzidos com LC³ apresentaram resistência à compressão superiores em todas as idades até 1 ano, sendo maiores que 50 MPa após transcorrido esse tempo [¹⁶].

Devido ao grande potencial de emprego do LC³ no setor da construção civil, tornou-se necessário o estudo sobre sua resistência quando submetidos à altas temperaturas. A ocorrência de incêndios além dos prejuízos materiais e possíveis fatalidades, provoca danos nas estruturas das edificações, podendo levar a estrutura de concreto à ruína parcial ou total e acarretando altos custos de recuperação e reconstrução. Essas alterações se dão pelo fato de que as altas temperaturas alteram as propriedades químicas e físicas do concreto, apesar de suas características de incombustibilidade e baixa difusividade térmica. Contudo, verifica-se que os estudos que avaliaram o comportamento de cimentos LC³ frente à elevadas temperaturas encontram-se em fase inicial [¹⁷–¹⁹]. Diante disso, este estudo tem como objetivo avaliar a influência de altas temperaturas na resistência à compressão residual de argamassas de cimento LC³ em comparação à uma argamassa de cimento Portland e as alterações na mineralogia das matrizes cimentícias.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

2.1. Materiais

Para o desenvolvimento da pesquisa foi utilizado um cimento Portland de alta resistência inicial - resistente a sulfatos (CP V-ARI-RS), fabricado segundo a NBR 16697 [²⁰]. A escolha desse tipo de cimento se deu devido ao composto apresentar baixo teor de adições, diminuindo assim a possibilidade de interferências nos resultados. A norma NBR 16697 [²⁰] estabelece um teor de material carbonático de até 10% para cimentos CP V. O metacaulim (MK) utilizado no estudo é de origem comercial. O mesmo pode ser considerado, basicamente, um alumino silicato amorfo, formado a partir da calcinação de argilas contendo caulinita. A calcinação da argila normalmente ocorre em temperaturas entre 600 e 800 °C resultando assim na ativação térmica da caulinita. Também foi utilizado um fíler calcário (FC) para a produção do cimento LC³. Os materiais empregados foram caracterizados através das técnicas de fluorescência de raios-X (FRX), granulometria a laser e massa específica, conforme resultados apresentados na Tabela 1. A análise química dos elementos foi realizada em um espectrômetro EDX-700 (Schimadzu). O estudo de granulometria a laser foi realizado por meio do equipamento S3500 (Microtrac). Por fim, a determinação da massa especifica se deu através dos procedimentos especificados na NBR 16605 [²¹].

Tabela 1
Composição química e propriedades físicas do CP, MK e fíler calcário.

PROPRIEDADES	CP	MK	FC
Composição química (%)
SiO2	31,88	56,27	1,91
Al2O3	6,27	42,40	0,78
Fe2O3	4,23	0,44	0,63
CaO	47,25	–	53,01
SO3	2,92	–	0,06
K2O	1,91	0,67	0,08
TiO2	0,63	0,02	–
MnO	0,11	0,01	–
MgO	–	–	2,40
Perda ao fogo	4,80	0,59	41,13
Propriedades físicas
D10 (µm)	3,17	1,65	2,93
D50 (µm)	13,39	6,69	10,72
D90 (µm)	37,85	33,30	35,16
Massa específica (g/cm3)	3,09	2,78	2,75

O ensaio de difração de raios-X (DRX) do CP, MK e fíler calcário foi realizado em um difratômetro Miniflex (Rigaku), operando com 30 kV/15 mA, radiação de CuKα, intervalo de análise de 5–70⁰ 2θ e passo de 0.05⁰ 2θ. A identificação das fases cristalinas da amostra foi realizada no software HighScore Plus utilizando a base de dados ICDD (International Centre for Diffraction Data). Como pode ser observado na Figura 1, o MK apresenta um halo amorfo expressivo e a presença de picos cristalinos de quartzo. Já o fíler calcário é predominantemente composto por calcita.

Figura 1:
Difratograma do (a) cimento Portland, (b) metacaulim e (c) fíler calcário utilizados.

Foi empregada uma areia natural quartzosa de leito de rio oriunda do município de Guarapuava, como agregado miúdo. O agregado miúdo foi caracterizado através dos ensaios de (i) absorção de água, seguindo os procedimentos da NBR 16916 [²²], (ii) composição granulométrica, seguindo os procedimentos da NBR 17054 [²³] e (iii) massa específica seguindo a NBR 9776 [²⁴]. A distribuição granulométrica do agregado é apresentada na Figura 2. O agregado miúdo é caracterizado por um módulo de finura de 1,94. Além disso, o agregado apresentou massa específica de 2,8 g/cm³ e teor de absorção de água de 0,68%.

Figura 2:
Distribuição granulométrica do agregado miúdo e zonas ótima e utilizável estabelecidas pela NBR 7211 [²⁵].

No estudo também foi empregado o aditivo superplastificante (SP) à base de policarboxilato para garantir o mesmo índice de consistência das argamassas produzidas sem alterar a relação água/cimento da mistura. Conforme o fabricante a densidade do aditivo é de 1,12 kg/L e a dosagem recomendada varia entre 0,2% e 5,0% em relação à massa de cimento.

2.2. Composições avaliadas

Desenvolveram-se duas composições de argamassa para o estudo a base de: (i) Cimento Portland (CP) e (ii) cimento LC³, de acordo com as composições apresentadas na Tabela 2. A relação água/cimento empregada foi de 0,48 e o traço padrão de aglomerante: areia de 1:3 [²⁶]. Considerou-se um teor de material carbonático de 10% na composição do cimento Portland empregado [²⁰]. A dosagem de MK e fíler calcário levou em consideração esse percentual atendendo a composição usual de cimentos LC³ (55% de clínquer + sulfato de cálcio, 30% de argila calcinada e 15% de fíler calcário). O teor de aditivo foi definido experimentalmente a fim de se obter um índice de consistência da argamassa de 250 ± 10 mm, sendo o ensaio realizado de acordo com a NBR 13276 [²⁷]. A dosagem em relação a massa de aglomerante estabelecida para (i) CP e (ii) cimento LC³, foram de 0,37% e 0,93%, respectivamente. O processo de mistura das argamassas se deu por meio do descrito na NBR 7215 [²⁶]. Os corpos de prova de argamassa foram submetidos a cura submersa em água saturada com cal, permanecendo nesta condição até as idades de 28 e 56 dias, sendo posteriormente expostos a diferentes temperaturas (conforme procedimento descrito no item 2.3) e, em seguida, após resfriamento, determinada a velocidade de pulso ultrassônico e, posteriormente, a resistência à compressão residual dos corpos de prova. Para a análise de difração de raios-X (DRX) foram produzidas pastas de cimento mantendo as proporções apresentadas na Tabela 2, sem a utilização de agregado miúdo e aditivo. As pastas foram preparadas a partir de mistura manual. De maneira similar às argamassas, apenas após 28 dias de cura as amostras de pasta de cimento foram inseridas na mufla e expostas a diferentes temperaturas (0 – 1000 °C).

Tabela 2
Composição unitária das argamassas avaliadas.

TRAÇO	CP	MK	FC	ÁGUA	AREIA	SP (%)a
CP	1,0	–	–	0,48	3,0	0,37
LC3	0,61	0,3	0,09	0,48	3,0	0,93

• a Em relação à massa de aglomerante.

2.3. Detalhes do aquecimento das amostras

Para realização da simulação de incêndio foi utilizado um Forno/Mufla 16L 20006/DI da empresa Lucadema, onde as amostras foram aquecidas a uma taxa de 10°C/min até atingir a temperatura desejada, após a obtenção da mesma foram mantidos os corpos de provas (CPs) no interior por uma hora. Posteriormente os CPs foram mantidos dentro da mufla até a estabilização da temperatura, para evitar choques térmicos. No entanto, ao tentar atingir a terceira faixa de temperatura estipulada para ensaio (~ 400 °C) os CPs apresentaram um comportamento explosivo, característico com o fenômeno de spalling explosivo, como ilustrado na Figura 3. Sua ocorrência se dá especialmente pela pressão excessiva nos poros, resultando em perda de seção e redução na capacidade de carga de um elemento. Este fenômeno ocorre de forma violenta e instantânea, com grande liberação de energia. Outro aspecto apontado como influenciador para o fenômeno de spalling, são as tensões térmicas biaxiais compressivas paralelas à superfície aquecida, que geram fratura frágil e flambagem por delaminação [²⁸, ²⁹]. Destaca-se que a taxa de aquecimento da mufla disponível no laboratório não permitia ajuste, não sendo possível realizar uma redução da taxa de 10°C/min, com o intuito de minimizar o comportamento explosivo dos corpos de prova de argamassa. Desta forma, como não foi possível ajustar a taxa de aquecimento e minimizar o comportamento de spalling explosivo, as argamassas foram avaliadas até a temperatura de 320°C. Contudo, para as pastas de cimento, foi possível a avaliação de temperaturas de aquecimento de até 1000°C.

Figura 3:
Corpos de prova cilíndricos de argamassa na mufla (a) antes da exposição à altas temperaturas e (b) após o fenômeno de spalling explosivo.

2.4. Métodos de ensaio

2.4.1. Resistência à compressão e determinação da velocidade de pulso ultrassônico (VPU)

O estudo da resistência à compressão de CPs cilíndricos de argamassa de 50 _× 100 mm foi realizado conforme a NBR 7215 [³⁰]. Após o processo de cura submersa em água com cal até completar 48 horas antes do ensaio de compressão, os CPs foram retificados para regularização da superfície e mantidos em uma estufa com temperatura constante de 100°C até a realização dos ensaios, exceto para as amostras as quais foram separadas para testes na faixa de temperatura ambiente (23°C). Inicialmente, determinou-se a velocidade de pulso ultrassônico dos CPs, por meio do equipamento Ultrasonic detector (modelo ZBL-U5100), em seguida, foi verificada a resistência a compressão das amostras, através da máquina universal de ensaios EMIC (SISTEMA 300/3000 – modelo DL-30000). Sendo realizado o ensaio em CPs com 28 e 56 dias de cura. Paralelamente, foram registradas imagens de microscopia óptica (marca VEDO) da superfície dos corpos de prova de argamassa após exposição a elevadas temperaturas, apenas como uma análise qualitativa do efeito da temperatura.

2.4.2. Difração de raios-X (DRX)

A composição mineralógica das de pastas de cimento foi avaliada na idade de 28 dias após exposição à diferentes temperaturas (temperatura ambiente, 200, 400, 600, 800 e 1000 °C) através do ensaio de DRX, utilizando um difratômetro Miniflex 600 (Rigaku), operando com 40 kV, radiação de CuKα, intervalo de análise de 3–70⁰ 2θ e passo de 0.05⁰ 2θ. Inicialmente, as amostras foram moídas em pequenos fragmentos utilizando almofariz e pistilo. Posterior à moagem, as rações de hidratação do cimento foram interrompidas através da técnica de troca de solvente utilizando álcool isopropílico. As amostras permaneceram imersas no álcool por aproximadamente 30 minutos e depois foram filtradas e secas em estufa a 40 °C por 24h e, posteriormente, passaram por um processo de moagem manual e peneiradas em peneira com malha de 53 µm. A identificação das fases cristalinas das pastas foi realizada no software HighScore Plus utilizando a base de dados ICDD (International Centre for Diffraction Data).

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1. Resistência à compressão

Os resultados de resistência à compressão das argamassas de CP e LC³ após 28 e 56 dias são apresentados na Figura 4 e Figura 5, respectivamente. Como mencionado previamente, devido ao comportamento explosivo dos corpos de prova em decorrência da impossibilidade de um ajuste da taxa de aquecimento da mufla utilizada no ensaio, não foi possível determinar a resistência à compressão residual das argamassas para temperaturas superiores (> 320 °C). Tal como previsto, a resistência a compressão com o passar dos dias aumentou para os dois traços. Isso se dá pois, à medida que a hidratação vai progredindo, a porosidade das argamassas progressivamente se reduz e os vazios presentes são tomados pelos compostos formados no transcorrer do tempo de cura, melhorando assim a resistência, entre outras características. Aos 28 dias, verifica-se que a argamassa de LC³, mesmo com um teor de clínquer aproximadamente 50% inferior, apresentou resistência à compressão equivalente aos traços de CP. Esse comportamento já foi previamente reportado na literatura em relação à resistência de cimentos LC³ [³¹, ³²]. Verifica-se que essa tendência se mantem para as demais temperaturas avaliadas (200 e 320 °C). Esse comportamento mecânico equivalente entre as argamassas de cimento LC³ e CP pode ser atribuído ao efeito sinérgico existente entre o MK e o FC, formando as fases AFm (hemicarboaluminato e monocarboaluminato). Este aspecto será melhor abordado na seção 3.3.

Figura 4:
Resistência à compressão aos 28 dias das argamassas de CP e LC³.

Figura 5:
Resistência à compressão aos 56 dias das argamassas de CP e LC³.

Contudo, aos 56 dias, é possível observar que a argamassa de cimento LC³ apresentou um acréscimo de aproximadamente 38% na resistência à compressão em comparação ao traço de CP para uma temperatura de 23 °C, o que pode estar relacionado à formação continuada das fases AFm e à atividade pozolânica características de MCS como o MK em idades mais avançadas [³³]. Nesse contexto, ZUNINO e SCRIVENER [³⁴] observaram que a precipitação de hidratos continua na solução de poros preenchidos entre 90 dias e 3 anos nos sistemas LC³, levando a uma redução significativa na porosidade total dos sistemas ao longo do tempo.

Adicionalmente, verificam-se acréscimos entre 32% e 50% nos valores de resistência à compressão aos 28 dias quando as argamassas de CP e LC³ são submetidas a temperaturas de 200 °C e 320 °C (Figura 4). Uma tendencia similar também foi observada para os valores de resistência à compressão aos 56 dias (Figura 5). De acordo com MA et al. [³⁵], até cerca de 300 °C, a hidratação das partículas de cimento não hidratados melhora devido a uma condição de autocura resultante da alta temperatura e da evaporação da água, o que ajuda a explicar os acréscimos de resistência observados neste estudo. Os resultados obtidos indicam que mesmo com teores de clínquer expressivamente inferiores, para temperaturas de exposição de até 320 °C, os cimentos LC³ apresentam desempenho equivalente do ponto de vista mecânico às argamassas de CP. GUNJAL e KONDRAIVENDHAN [¹⁸] verificaram que a resistência à compressão de concretos de CP e LC³ diminuiu para temperaturas superiores à 200 °C, atingindo reduções significativas após 400 °C. De maneira similar, CAO et al. [¹⁷] reportaram que a resistência à compressão residual de argamassas de CP e LC³ permaneceu constante ou aumentou ligeiramente da temperatura ambiente até 300 °C e diminuiu abruptamente a partir de 400 °C. Até 300 °C, a decomposição da etringita (AFt), monocarboaluminato (Mc) e C-(A)-S-H teve pouco efeito nas propriedades mecânicas das argamassas.

Os valores apresentados na Tabela 3 ilustram os resultados da análise de variância (ANOVA) da resistência à compressão aos 28 dias, onde é possível observar que a variável independente “Tipo de Cimento” não apresenta influência significativa sobre a variável de resposta, reforçando o comportamento equivalente entre cimento Portland e LC³ avaliados neste estudo. Em contrapartida, a temperatura exerce influência significativa sobre a resistência à compressão, em decorrência do efeito de cura previamente discutido. Na Tabela 4 são apresentados os resultados da ANOVA dos resultados de resistência à compressão aos 56 dias. A mesma tendência se manteve em relação à influência significativa da temperatura. Além disso, verifica-se uma influência significativa do tipo de cimento sobre a variável de resposta, evidenciando o desempenho superior do traço de cimento LC³ em idades posteriores.

Tabela 3
Análise de variância (ANOVA) dos resultados de resistência à compressão aos 28 dias.

VARIÁVEL	SOMA DOS QUADRADOS	GRAUS DE LIBERDADE	MÉDIA QUADRÁTICA	P-VALOR	SIGNIFICÂNCIA
Tipo de cimento	17,81096	1	17,81096	0,12918	Não significativo
Temperatura	637,43294	2	318,71647	4,07651E-8	Significativo
Interação	13,95811	2	6,97905	0,39208	Não significativo
Erro	142,20778	20	7,1109	–	–
Total	847,21575	25	–	–	–

Tabela 4
Análise de variância (ANOVA) dos resultados de resistência à compressão aos 56 dias.

VARIÁVEL	SOMA DOS QUADRADOS	GRAUS DE LIBERDADE	MÉDIA QUADRÁTICA	P-VALOR	SIGNIFICÂNCIA
Tipo de cimento	113,29956	1	113,29956	0,02147	Significativo
Temperatura	542,97248	1	542,97248	5,82712E-5	Significativo
Interação	298,1888	1	298,1888	8,92974E-4	Significativo
Erro	236,8042	14	16,91459	–	–
Total	1155,05229	17	–	–	–

3.2. Velocidade de pulso ultrassônico

A determinação da velocidade de pulso ultrassônico (VPU) a partir do ensaio de ultrassom consiste em uma técnica não destrutiva que fornece alguns indicativos sobre a porosidade dos materiais cimentícios. Segundo MEHTA e MONTEIRO [³⁶], esse dispositivo faz com que ondas longitudinais de pulso ultrassônico que variam de 20 kHz a 150 kHz passem pelas matrizes cimentícias, medindo assim o tempo levado de percurso dessas ondas. As velocidades médias da propagação da onda de pulso ultrassônico são dadas por meio da razão entre as distâncias entre os transdutores e tempo de percurso das ondas, tais valores permitem avaliar de maneira indireta a porosidade e o modulo dinâmico de elasticidade das amostras. Os resultados de VPU das argamassas de CP e LC³ obtidos para 28 e 56 dias de cura são apresentados na Figura 6 e Figura 7, respectivamente. É possível observar que, no geral, a VPU das argamassas de CP e LC³ são semelhantes independentemente da temperatura e idade de ensaio, corroborando com os resultados de resistência à compressão previamente apresentados. Além disso, verifica-se uma redução da VPU com o aumento da temperatura de exposição de ambas as argamassas (LC³ e CP), em comparação à temperatura ambiente, o que está de acordo com a acréscimo de resistência à compressão previamente discutido. Isto posto, salienta-se que os valores obtidos de velocidades validam os resultados resistência à compressão, em virtude de que há uma relação entre velocidade e resistência. Nesse contexto, WHITEHURST [³⁷] e RINCÓN et al. [³⁸], identificaram uma relação entre a qualidade de concretos e a VPU, onde concretos com uma velocidade da onda ultrassônica superior a 4500 m/s são de excelente qualidade, já concretos com valores de velocidades de 3500 à 4500 m/s são classificados como de ótima qualidade, materiais que tem valores inferiores a esses intervalos de velocidades se enquadram nas classificações bom (3000 < V < 3500 m/s), regular (2000 < V < 3000 m/s) e ruim (V < 2000 m/s). Com base nessa classificação todas as amostras desse estudo estão dentro das classificações excelente e ótima.

Figura 6:
Velocidade de pulso ultrassônico (VPU) aos 28 dias das argamassas de CP e LC³.

Figura 7:
Velocidade de pulso ultrassônico (VPU) aos 56 dias das argamassas de CP e LC³.

Os resultados de resistência à compressão e VPU são corroborados pelas imagens obtidas por microscopia óptica das argamassas de CP e LC³ submetidas às temperaturas de 23, 200 e 320 °C apresentadas na Figura 8. Como pode ser observado, não foram verificadas mudanças visuais significativas em ambas as matrizes cimentícias para temperaturas de 200 e 320 °C. Um comportamento semelhante foi reportado em estudos prévios sobre o tema [¹⁸, ³⁹].

Figura 8:
Imagens obtidas por microscopia óptica das argamassas de CP e LC³ nas temperaturas de 23, 200 e 320 °C [Ampliação de 1600x].

3.3. Difração de raios-X (DRX)

Os resultados da análise de DRX das pastas de CP e LC³ aos 28 dias de hidratação após a exposição a diferentes temperaturas são apresentados na Figura 9 e Figura 10. Como pode ser observado no zoom na região de interesse das fases AFm da Figura 9, verifica-se em temperatura ambiente (23 °C) a presença de etringita (~ 9,05 2θ) e monocarboaluminato – Mc (~ 11,6 2θ) nas matrizes de CP e LC³. Devido à presença de fíler calcário no cimento Portland comercial utilizado, a formação de Mc é esperada. Contudo, é possível observar que a intensidade do pico de Mc na amostra de LC³ é superior, o que sugere uma maior formação dessa fase em decorrência do efeito sinérgico entre o MK e o FC. Além disso, não foi identificada a presença de hemicarboaluminato (Hc) nas amostras. Nesse contexto, IPAVEC et al. [⁴⁰] reportaram que na fase inicial da hidratação do cimento Portland contendo calcita, forma-se hemicarboaluminato, que se converte em monocarboaluminato com o passar do tempo de hidratação. De acordo com GEOGET et al. [⁴¹], o Mc tem um estabilidade termodinâmica superior, o que pode ajudar a explicar os resultados obtidos neste estudo no que tange à inexistência de Hc. Também é possível observar que a partir dos 200 °C, ocorre uma degradação da etringita e Mc em ambas as matrizes cimentícias (CP e LC³). CAO et al. [¹⁷] reportaram uma tendência semelhante para pastas de CP e LC³ expostos a temperaturas de até 400 °C. Contudo, mesmo com a degradação da etringita e Mc em temperaturas a partir de 200 °C, não foram observadas reduções nas resistências à compressão das argamassas de LC³ em 200 e 320 °C (ver seção 3.1), mesmo as fases AFm sendo um dos principais produtos de hidratação deste tipo de cimento. Isso, de acordo com LIN et al. [¹⁹], pode ser atribuído a um efeito de autocura para temperaturas de até 300 °C favorecendo as reações de hidratação do cimento, MK e FC. Além disso, nesta faixa de temperatura é formada a katoita, que resiste a temperaturas de até 350 °C e pode gerar contribuições em termos de microestrutura e desempenho mecânico de materiais cimentícios [⁴²].

Figura 9:
Difratograma das pastas (a) CP e (b) LC³ submetidas à diferentes temperaturas na região de interesse 5–15° 2θ (E – etringita, Mc – monocarboaluminato).

Figura 10:
Difratograma das pastas (a) CP e (b) LC³ submetidas à diferentes temperaturas entre 5–70° 2θ (P – portlandita, Q – quartzo, C – calcita, G – Gehlenita).

Na Figura 10 os difratogramas das amostras de CP e LC³ em temperatura ambiente indicam a presença das seguintes fases cristalinas principais: portlandita, quartzo e calcita. A presença de quartzo e calcita pode ser atribuída à incorporação de MK e FC no cimento LC³ e existência de fíler no cimento Portland vendido comercialmente. Em relação à portlandita, em temperatura ambiente (23 °C) verifica-se picos mais intensos (~18.1° e 34.1° 2θ) nas amostras de CP, devido ao maior teor de clínquer presente nesses cimentos em comparação às composições de LC³. Além disso, é importante considerar que o MK pode apresentar atividade pozolânica, especialmente para idades mais avançadas, consumindo também parte da portlandita disponível nos sistemas LC³. Os resultados obtidos indicam o início da degradação da portlandita para temperaturas superiores a 400 °C, em concordância com o comportamento reportado em estudos prévios [¹⁷, ¹⁹, ⁴³]. Além disso, a partir de uma temperatura de 800 °C verifica-se a formação de um pico de difração entre 32 e 34° 2θ para ambos os sistemas (CP e LC³). De acordo com DONATELLO et al. [⁴⁴], os picos de difração nessa região correspondem à alita e belita, bem como à fases não hidráulicas como a gehlenita. Nesse contexto, a reação entre SiO₂, Al₂O₃ e CaO pode formar gehlenita nos sistemas LC³ [⁴⁵], corroborando com os resultados obtidos por LIN et al. [¹⁹]. Devido à limitação da mufla utilizada para os ensaios neste estudo não foi possível correlacionar a mineralogia dos sistemas de CP e LC³ com a resistência à compressão residual para temperaturas superiores a 300–400°C. Contudo, salienta-se que esse tópico ainda possui ampla possibilidade de estudos na área, principalmente em relação às diferenças das fases formadas entre os sistemas LC³ e CP, principalmente em temperaturas mais elevadas (> 400°C).

4. CONCLUSÕES

Este estudo tem como finalidade promover o avanço na fabricação de cimentos LC³, com o objetivo de globalmente diminuir as emissões de CO₂, em busca da sustentabilidade no setor da construção civil. A pesquisa avaliou a resistência a compressão residual e a mineralogia (através da técnica de DRX) de argamassas de cimento Portland e de LC³ após a exposição à elevadas temperaturas (200, 400, 600, 800 e 1000 °C). Os resultados de resistência à compressão indicaram que as argamassas de cimento LC³ apresentaram desempenho mecânico equivalente às argamassas de cimento Portland aos 28 dias de hidratação, para as temperaturas de 23, 200 e 320 °C, conforme resultados obtidos a partir de análise estatística (ANOVA). Além disso, os resultados de DRX sugeriram que mesmo com a decomposição da etringita e fases AFm a partir de 200 °C, não foram observados prejuízos à resistência à compressão dos sistemas LC³ para temperaturas de até 320 °C. Na verdade, foi observado um incremento nas propriedades mecânicas de ambos os sistemas (CP e LC³) de até 50% em relação à temperatura ambiente, o que possivelmente pode ser atribuído à um efeito de autocura para temperaturas de até aproximadamente 300 °C. Para temperaturas mais elevadas (> 800 °C) foi identificada a formação da fase ghelenita para o cimento LC³, indicando a possibilidade de mais estudos nessa área para identificar a influência desta fase na microestrutura e desempenho mecânico de sistemas LC³. Esta pesquisa evidenciou que os sistemas LC³ compostos por metacaulim apresentaram um desempenho mecânico semelhante ao do CP quando expostos a elevadas temperaturas. Como sugestão para estudos futuros, recomenda-se a avaliação da resistência à compressão residual de cimentos LC³ compostos por argilas com um menor teor de caulinita.

5. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem o Prof. Artur Spat Ruviaro pela doação do fíler calcário empregado nesse estudo e à empresa Metacaulim do Brasil pela doação do metacaulim utilizado. O Prof. Dr. Philippe Jean Paul Gleize e o Laboratório NANOTEC (UFSC) são reconhecidos pela realização dos ensaios de caracterização (DRX e granulometria) dos materiais empregados. Por fim, os autores agradecem à Central de Análises da UTFPR – Campus Pato Branco pelas análises de DRX das pastas de cimento Portland e LC³. À Prof. Rafaella Salvador, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), que auxiliou no desenvolvimento dos ensaios em laboratório.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  04 Dez 2023
• Data do Fascículo
  2023

Histórico

• Recebido
  18 Set 2023
• Aceito
  25 Out 2023