Effect of the host material

A sílica ativa é um material cimentício suplementar do concreto relativamente novo. Ela começou a ser utilizada no final dos anos 70 na Escandinávia; na América do Norte, sua utilização como tal material se deu apenas no início dos anos 80. No Brasil, a sílica com características adequadas de qualidade quanto à composição química e características físicas só começou a ser coletada em 1989, porém, desde 1984, essa adição mineral era importada pelo Eng. Epaminondas Melo do Amaral Filho.

A utilização de adições minerais com o objetivo de se melhorar a durabilidade do concreto tem aumentado bastante nos últimos anos. Fatores econômicos e ambientais também têm um papel importante no crescimento do uso dessas adições. Eles fornecem um conforto ambiental, pois subprodutos industriais são reciclados, emissões perigosas lançadas na atmosfera durante a produção do cimento são reduzidas, matérias-primas são preservadas e energia é economizada (NEHDI, MINDESS & AÏTCIN, 1998). Assim, existe um duplo benefício ambiental através da utilização das adições minerais.

Segundo Aïtcin e Neville (2003), nas primeiras idades, a sílica ativa pode ser considerada um inerte, um material muito fino, mas não um aglomerante, uma vez que suas reações químicas não ocorrem na mesma taxa que as reações do cimento. Porém, a situação é complicada devido aos efeitos físicos provocados pela sílica sobre o empacotamento de partículas e, dessa maneira, sobre as forças que controlam a distância entre as partículas de cimento no início do processo de hidratação.

A sílica, quando finamente subdividida e na presença de água, reage quimicamente com o hidróxido de cálcio (liberado pela hidratação do cimento), formando silicatos estáveis que têm propriedades cimentícias (NEVILLE, 1997). Essa reação entre a pozolana (sílica ativa) e o hidróxido de cálcio é denominada reação pozolânica. O efeito fíler corresponde ao processo de refinamento dos poros associado à reação pozolânica: os produtos da reação são bastante eficientes no preenchimento dos espaços capilares grandes, melhorando, assim, a resistência e a impermeabilidade do sistema (MEHTA & MONTEIRO, 1994).

O papel químico da sílica ativa no processo de hidratação é governado pela disponibilidade de hidróxido de cálcio (Ca(OH)2) originado pela hidratação do C3S e

C2S no cimento (AÏTCIN & NEVILLE, 2003). Acima de uma quantidade limite de

quantidade em excesso se comporta realmente como um inerte e não como um aglomerante. Assim, os efeitos benéficos da sílica ativa na microestrutura e nas propriedades mecânicas do concreto ocorrem devido à reação pozolânica e ao efeito fíler, além de seu efeito químico relacionado com o desenvolvimento de cristais de portlandita (AÏTCIN, 2000).

De uma maneira geral, o efeito da incorporação das adições minerais sobre as propriedades do concreto no estado fresco depende principalmente da forma de suas partículas e de sua distribuição granulométrica. Sobre as propriedades do concreto no estado endurecido, seu efeito depende da maneira com que a mistura no estado fresco foi influenciada e também das propriedades químicas que interferem no desenvolvimento da resistência e da durabilidade (TATTERSALL, 1991b). Como resultado da presença de partículas de sílica ativa na pasta de cimento, argamassa ou concreto, Silva (2000) cita o grande aumento da compacidade que provoca os seguintes efeitos: a mistura se torna muito mais densa; a velocidade do fluxo interno de líquido na pasta é reduzida; e a coesão interna, o número de sítios de nucleação e a ligação dos grãos de cimento e das partículas de sílica com os produtos de reação são aumentados.

O uso de sílica ativa resulta em concretos mais coesos (sem exsudação ou segregação) e é muito eficiente na produção de concretos fluidos. As pequenas partículas de sílica agem como esferas rolantes no concreto e passam a fazer parte da solução de água do poro, o que, conseqüentemente, promove o aumento da fluidez da mistura. Embora o concreto incorporado com sílica pareça ser pegajoso, ele é muito mais fluido que qualquer outro concreto quando lançado em um molde (ZAIN, SAFIUDDIN & YUSOF, 1999).

Assim, com a introdução de sílica ativa nos concretos, as propriedades mecânicas e a trabalhabilidade dos mesmos são melhoradas, enquanto a permeabilidade e a porosidade capilar são reduzidas. Com o refinamento dos poros, a zona de interface entre o agregado e a pasta de aglomerantes (cimento e sílica) é drasticamente reduzida e a exsudação interna e superficial da mistura é minimizada. Tudo isso leva a um alto desempenho do concreto com conseqüente aumento de sua durabilidade.

A incorporação de sílica ativa implica no aumento da demanda de aditivo. A grande área superficial da sílica pode não ser o principal fator que acarreta esse aumento e a idéia de que essa adição mineral pode ter uma afinidade pela adsorção das moléculas de SP é sustentada por Nehdi, Mindess e Aïtcin (1998). De acordo com Zain, Safiuddin e Yusof (1999), as partículas de sílica estão em uma

variação granulométrica sobre a qual as forças de floculação atuam. A floculação das partículas reduz a fluidez da mistura ou, reciprocamente, aumentam a demanda de SP.

Sílica ativa de ferro-silício ou silício metálico

A sílica ativa de ferro-silício (SFS), também conhecida como fumos de sílica condensada, sílica volatilizada, sílica amorfa ou microssílica, é um subproduto da fabricação de silício metálico ou de ligas de ferro-silício. O silício e suas ligas são produzidos em fornos de arco elétrico imerso onde o quartzo é reduzido na presença de carvão (e ferro durante a produção das ligas de ferro-silício). Durante a redução do quartzo puro, um subóxido de silício, SiO, se desprende na forma de gás, se oxida e condensa em um material composto de partículas esféricas extremamente pequenas, com aspecto vítreo e muito reativas: dióxido de sílica amorfa (SiO2).

A SFS é comercialmente encontrada de três formas: não densificada ou no estado natural (material proveniente diretamente do filtro coletor), densificada (partículas beneficiadas pela aglomeração) e lama (suspensão aquosa com teor de sólidos de 50%).

A qualidade da SFS depende de vários fatores, dentre eles o processo de produção, da forma de operação da fabricação, do processo de coleta do pó, dos meios de redução, da matéria-prima e do tipo de forno utilizado.

A sílica, dependendo da natureza do material e do processo de produção empregado, pode ser considerada um material altamente pozolânico, de mediana e até de baixa atividade pozolânica. A pozolanicidade é uma função de sua característica amorfa, de sua granulometria e de sua área específica.

Em termos de composição química, a SFS pode ser qualificada como quase pura, pois suas partículas possuem altos teores de sílica amorfa quando comparado à presença de pequenas quantidades de alumina, ferro, cálcio, álcalis, carbono, dentre outros. O teor de sílica amorfa no subproduto é função do teor de sílica contido nas ligas e/ou metais produzidos nas indústrias: quanto maior for o teor de silício da liga, maior será o teor de SiO2 da SFS. Uma vez que as matérias-

primas usadas na fabricação do silício e das ligas de ferro-silício são muito puras, a SFS coletada num dado forno tem, usualmente, uma composição consistente.

Através do ensaio por difração de raios-X, comprova-se que a composição básica da SFS é de sílica amorfa (figura 2.9). Segundo Aïtcin (2000), o resfriamento do vapor de SiO e a sua oxidação para SiO2 acontecem tão rapidamente que o

constituir a forma da sílica cristalina. Dessa maneira, ao analisar um gráfico de ensaio por difração de raios-X, quanto mais achatada for a crista observada, mais amorfa será a sílica ativa.

Figura 2.9 – Difratograma de raios-X da sílica de Fe-Si (a) na forma como produzida e (b) depois de aquecida a 1100°C (AÏTCIN, 2000).

As propriedades físicas também são de fundamental importância para um bom desempenho da sílica como uma superpozolana. Os efeitos benéficos estão associados à área específica, à granulometria e à sinergia da sílica com outras adições químicas e minerais.

Em relação à granulometria, a sílica é um material extremamente fino, cujo tamanho das partículas apresenta um valor médio de cerca de 0,15 µm, podendo variar de 0,01 µm a 1µm – como esse valor não pode ser medido com precisão, considera-se que a sílica apresenta diâmetros médios de cerca de 50 a 100 vezes menores que os diâmetros médios das partículas de cimento. Segundo Mehta e Monteiro (1994), é por esse motivo que o material, por um lado, é altamente pozolânico, enquanto que, por outro lado, cria problemas de manuseio e aumenta consideravelmente o consumo de água do concreto (isso quando não é feita qualquer adição de SP).

Devido aos diâmetros extremamente pequenos dos grãos, a área específica da SFS é elevada (os valores típicos variam entre 15.000 m2/kg e 25.000 m2/kg), sendo que sua ordem de grandeza varia de acordo com o processo de medida utilizado – atualmente, o mais adotado é o método B.E.T.[2.11]. Portanto, quanto maior a área específica e menor a granulometria, maior a eficiência da ação da sílica.

[2.11]

Quanto à massa unitária, a SFS apresenta um valor muito baixo, variando entre 200 kg/m3 e 700 kg/m3. Já em termos de massa específica, o valor médio varia entre 2.150 kg/m3 e 2.650 kg/m3.

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