Dosagem de concreto sustentável e de alta resistência, otimizada por modelos de empacotamento de partículas, com substituição parcial do cimento portland por pó de pedra e sílica ativa

Abstract

Resumo: O cimento Portland é considerado o componente de base com o maior impacto ambiental na construção civil, em termos de emissões de CO2. A substituição parcial do cimento por resíduos de outras indústrias é uma estratégia usada para reduzir essas emissões. O uso de concreto de alta resistência (CAR) aparece como outra alternativa: quanto maior a resistência à compressão do concreto, menores as emissões de CO2 por MPa. Além disso, a indústria do concreto deve encontrar alternativas para a conservação das reservas naturais de areia. Por outro lado, a produção de areia artifical gera pó de pedra, que acaba sendo estocado ao ar livre, acentuando os danos ambientais. Neste contexto, o objetivo do presente trabalho é propor um método de dosagem de concreto sustentável e de alta resistência, otimizado por modelos de empacotamento de partículas, com substituição parcial do cimento Portland por pó de pedra e sílica ativa. Na primeira etapa foram estudados os materiais finos, a fim de definir a composição ideal da pasta em termos de cálculos estequiométricos, empacotamento de partículas, propriedades no estado endurecido e demanda de água. Essa etapa também englobou o estudo do ponto de saturação do superplastificante (SP). A segunda fase compreendeu o estudo dos agregados. Foi definido o empacotamento ótimo dos agregados buscando o menor índice de vazios. A terceira etapa foi a definição e aplicação do método de dosagem. Como parâmetros fixos do método foram consideradas as composições ideais dos materiais finos e dos agregados e o ponto de saturação do SP, definidos nas etapas anteriores. Como parâmetros variáveis foram considerados o excesso de pasta e a relação água/finos (a/finos). Foram produzidos concretos com os seguintes teores de pasta: 27%, 29%, 31%, 33%, 35% e 37% e as seguintes relações a/finos: 0,28, 0,32, 0,36 e 0,40. A análise foi feita em termos de propriedades no estado fresco, no estado endurecido, alguns parâmetros de durabilidade e de sustentabilidade (consumo de cimento, emissões de CO2 e custos). Para fins comparativos, também foram produzidos concretos dosados pelos métodos conhecidos para CAR, propostos por Aïtcin (2000) - TA - e por Mehta e Aïtcin (1990) - TMA. A última etapa aplicou o método de dosagem proposto com outro pó de pedra, para validação. Em geral, o teor de pasta mais eficiente em termos de resistência à compressão, parâmetros de durabilidade, consumo de cimento/MPa, emissões de CO2e/MPa e custos/MPa foi de 33% (6% de pasta em excesso). No estado fresco, os concretos apresentaram trabalhabilidade alta com espalhamento e habilidade passante classificados como autoadensáveis. No estado endurecido, a resistência na faixa de 105 MPa foi alcançada com consumo de cimento de 287,65 kg/m3. Além disso, os concretos produzidos apresentaram qualidade excelente, de acordo com a velocidade de pulso ultrassônico (superior a 4500 m/s) e risco de corrosão insignificante, pela resistividade elétrica (maior que 100 K?cm). Em relação aos parâmetros de sustentabilidade, foi obtido o consumo de cimento mínimo de 2,77 kg/m3 por MPa de resistência à compressão, sendo o menor valor observado na literatura. O método proposto possibilitou reduzir em aproximadamente 60% o consumo de cimento/MPa e as emissões de CO2e/MPa em relação ao TA e quase 40% em relação ao TMA. Em termos de custos, as reduções por MPa chegaram a 40% e 5% em relação ao TA e ao TMA, respectivamente. Portanto, o método proposto permite produzir concretos de alta resistência e mais sustentáveis, contribuindo para a utilização de um resíduo e reduzindo as emissões de CO2. Palavras-chave: Sustentabilidade. Concreto sustentável. Concreto de alta resistência. Dosagem de concretos. Empacotamento de partículas. Pó de Pedra. Sílica ativa.

Abstract: The Portland cement is considered the basic component with the highest environmental impact in construction, in terms of CO2 emissions. Partial replacement of cement by waste from other industries is a strategy used to reduce these emissions. The use of high strength concrete (HSC) appears as another alternative: the higher the compressive strength of concrete, the lower the CO2 emissions per MPa. In addition, the concrete industry must find alternatives for the conservation of natural reserves of sand. On the other hand, crushed rock generates stone powder, which ends up being stored outdoors, accentuating the environmental damages. In this context, the objective of the present work is to propose a design of sustainable and high strength concrete with partial replacement of Portland cement by stone powder and silica fume by particle packing optimization. The first step studied the fine materials in order to define the ideal composition of the paste in terms of stoichiometric calculations, particle packing, hardened properties and water demand. This step also included the study of the superplasticizer (SP) saturation dosage. The second step studied the aggregates. The optimum packing of the aggregates was defined seeking the lowest voids index. The third step was the definition and application of the design method. As fixed parameters of the method were considered the composition of the fine materials and of the aggregates and the SP saturation dosage, defined in the previous steps. As variable parameters, were considered the excess of paste and the water/fine materials ratio (w/fine materials). The paste contents of 27%, 29%, 31%, 33%, 35% and 37% and the w/fine materials ratio of 0.28, 0.32, 0.36 and 0.40 were evaluated. The analysis was made in terms of properties in the fresh state, in the hardened state, some durability parameters and sustainability parameters (cement consumption, CO2 emissions and costs). To compare the results, concretes were also produced by known HSC design methods, as those proposed by Aïtcin (2000) - TA - and Mehta and Aïtcin (1990) - TMA. The last step applied the proposed design method with another stone powder, for validation. In general, the most efficient paste content in terms of compressive strength, durability parameters, cement consumption/MPa, CO2e emissions/MPa and costs/MPa was 33% (6% excess paste). In the fresh state, the concretes presented high workability and flow and passing ability classified as selfcompacting. In the hardened state, compressive strength in the range of 105 MPa was reached with cement consumption of 287,65 kg/m3. Besides that, the concrete produced by the proposed method presented excellent quality, according to the ultrasonic pulse velocity (above 4500 m/s) and insignificant corrosion risk due to the electrical resistivity (higher than 100 K?cm). Regarding the sustainability parameters, the minimum cement consumption of 2.77 kg/m3 per MPa of compressive strength was obtained; the lowest value observed in the literature. The proposed method maked it possible to reduce the consumption of cement/MPa and CO2e/MPa emissions by approximately 60% in relation to the TA and almost 40% in relation to the TMA. In terms of costs, the reductions reached 40% and 5% per MPa in relation to the TA and the TMA, respectively. Therefore, the proposed method allows to produce more sustainable high strength concrete, contributing to the use for a waste material and reducing the greenhouse gas emissions. Keywords: Sustainability. Sustainable concrete. High strength concrete. Design of concretes. Particle packing. Stone powder. Silica fume.