Ataque interno por sulfatos em argamassas de cimento portland : efeito de adição cristalizante e microfibra de polipropileno

Abstract

Resumo: Durante a sua vida útil, estruturas de concreto, como pontes, barragens e blocos de fundação, estão sujeitas a diversos processos de deterioração em virtude do meio em que estão inseridas. Nesse contexto, o ataque interno por sulfatos (ISA) é um dos mecanismos mais nocivos aos compostos cimentícios. O ISA ocorre em estruturas que sofreram algum tipo de contaminação durante sua execução, como por exemplo, a presença de sulfetos em agregados, como a pirita (FeS2). A oxidação do contaminante libera íons sulfato (SO42-) na matriz cimentícia, o qual reage com a portlandita [Ca(OH)2], dando origem a compostos expansivos, como a gipsita (CaSO4.2H2O) e etringita (3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O), gerando tensões sobressalentes dentro da estrutura, fissuras e redução na resistência mecânica e no pH da matriz cimentícia, assim como manchas superficiais de cor marrom, em virtude da formação de hidróxido de ferro [Fe(OH)3]. Dessa forma, o uso de materiais complementares, como adição cristalizante (AC) e microfibra de polipropileno (MF-PP) surge como uma alternativa para redução dos impactos do ISA. AC atua na redução da permeabilidade da matriz cimentícia por meio da interação com compostos hidratados do cimento Portland e formação de aragonita (CaCO3), dificultando a entrada de água e oxigênio na estrutura, enquanto que a característica hidrófoba da MF-PP aumenta a porosidade de compostos cimentícios, fornecendo espaços para a consolidação de produtos oriundos do ISA. Assim, o objetivo da presente pesquisa é estudar a influência do uso de AC (1% em relação à massa de cimento) e MF-PP (1% em relação ao volume de argamassa), utilizadas separadamente ou em conjunto, em argamassas e pastas de cimento CP II-F 32 sujeitas ao ISA devido à oxidação da pirita. Para tanto, foram moldados amostras contendo 10% de contaminação por FeS2, em relação à massa do agregado miúdo. Tais amostras foram expostas a ciclos de molhagem-secagem à 40° C durante 24 semanas, de modo a estimular a oxidação do contaminante e hidratação da AC, em virtude da presença de água e oxigênio (O2). Foram monitoradas propriedades de transporte (absorção de água, sortividade e resistividade elétrica superficial - RES), resistência à tração na flexão e propriedades microestruturais (MEV/EDS e DRX) a cada 8 semanas, variação dimensional linear resultante (VDL-R) semanalmente e velocidade de pulso ultrassônico (VPU) a cada 2 semanas. A pirita promoveu degradação em todas as amostras ao longo do tempo. Nas primeiras idades (00-08 semanas), a AC atuou como fíler, sendo necessário um longo período de tempo (16-24 semanas) para que o material modificasse significativamente as propriedades dos compostos cimentícios, promovendo a densificação dos poros, por meio da interação com compostos hidratados do cimento e contaminante. Argamassas contendo MF-PP obtiveram o melhor desempenho quanto à VDL-R, por conta da disponibilidade de espaço para consolidação de compostos expansivos. Contudo, tal comportamento mascarou o real efeito da MF-PP, visto que a alta porosidade do material facilitou a entrada de água e difusão de oxigênio (O2) na matriz cimentícia, influenciando negativamente a resistência à tração na flexão, absorção de água por imersão e propriedades microestruturais (MEV/EDS e DRX).

Abstract: Concrete structures, such as bridges and dams, are subjected to several deterioration processes during their service lives, due to the environment conditions they are submitted. The internal sulfate attack (ISA) is one of the most harmful mechanisms to cementitious compounds. ISA occurs in structures that suffered some type of contamination during their execution, such as the presence of pyrite (FeS2) in aggregates. The pyrite oxidation releases sulfate ions (SO42-) in the cementitious matrix. These ions react with portlandite [Ca(OH)2], forming expansive compounds, such as gypsum (CaSO4.2H2O) and ettringite (3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O). The expansive compounds generate internal stresses in the structure, cracks and reduction in the mechanical strength and pH of the cementitious matrix, as well as brown surface stains, due to the formation of iron hydroxide [Fe(OH)3]. Thus, the use of supplementary materials, such as crystallizing admixture (CA) and polypropylene microfiber (PP-MF) appears as an alternative to reduce ISA impacts. CA reduces the permeability of the cement matrix through the interaction with hydrated Portland cement compounds, forming calcium carbonate (CaCO3), making it difficult for water and oxygen to enter the structure, while the hydrophobic characteristic of PP-MF increases the porosity of cementitious compounds, providing spaces for the consolidation of products from ISA. Thus, the objective of the present research is to study the influence of the use of CA (1% in relation to the cement mass) and PP-MF (1% in relation to the mortar volume), used separately or together, in mortars and CP II-F 32 Portland cement pastes subjected to ISA due to the pyrite oxidation. Samples containing 10% FeS2 contamination, in relation to the mass of fine aggregate, were molded. These samples were exposed to wet-drying cycles at 40° C during 24 weeks, in order to stimulate the contaminant oxidation and CA reaction, due to the presence of water and oxygen (O2). Transport properties (water absorption by immersion, sorptivity and surface electrical resistivity - SER), flexural tensile strength and microstructural properties (SEM/EDS and XRD) were monitored every 8 weeks, resulting linear dimensional variation (VDL-R) every week and ultrasonic pulse velocity (UPV) every 2 weeks. Pyrite promoted degradation in all samples over time. In the early ages (00-08 weeks), CA acted as a filler. It was necessary a long time period (16-24 weeks) for the material to significantly modify the properties of cementitious compounds, promoting the densification of the pores structure, due to the reaction with hydrated Portland cement compounds and pyrite. Mortars containing PP-MF obtained the best performance in terms of VDL-R, due to the availability of space for expansive compounds consolidation. However, such behavior masked the real effect of PP-MF, since the high porosity of the material facilitated the entry of water and diffusion of oxygen (O2) in the cementitious matrix, negatively influencing the flexural tensile strength, water absorption by immersion and microstructural properties (SEM/EDS and XRD).