Efeito da variação do módulo de distribuição do modelo de empacotamento de partículas de Alfred na composição e propriedades do CCV e do CUAD compostos por agregados de rio e de britagem

Abstract

Resumo: O aumento no consumo do cimento nos últimos anos implicou em um maior nível de extração de matéria prima destinada à sua fabricação e nas emissões de CO2 para a atmosfera. A técnica de empacotamento de partículas através dos modelos de previsão de empacotamento busca a produção de concretos mais resistentes utilizando menores quantidades de cimento, considerando a eficiência dos materiais utilizados. O modelo de empacotamento de Alfred tem sido muito usado ao longo dos anos para a otimização de composições granulares, como o concreto. Por meio do módulo de distribuição (q) do modelo, cujo valor varia conforme as propriedades desejadas para o concreto, é possível a obtenção de traços otimizados que visam à produção de concretos mais eficientes sob o ponto de vista ambiental, tecnológico e econômico. A literatura aponta o valor de q = 0,37 como o valor que retorna a maior densidade de empacotamento e menor porosidade, requerendo assim, a mínima quantidade de água nas misturas. No entanto, a experiência tem mostrado que nem sempre as recomendações da literatura conduzem ao desempenho esperado, pois o modelo de Alfred foi proposto para a otimização de misturas de grãos esféricos, o que na prática não ocorre, pois o concreto é composto por grãos com morfologia irregular, muitas vezes distantes de uma esfera. Dessa forma, o objetivo desta pesquisa é estudar o modelo de Alfred, de modo a entender como a variação do parâmetro (q) afeta a composição e as propriedades de concretos em estado fresco e endurecido, considerando concretos produzidos com agregados de diferentes morfologias como os agregados de grãos mais arredondados (areia de rio e seixos rolados) e os agregados de grãos mais angulosos e com arestas (areia de britagem e britas). O estudo considerou quatro tipos de concretos: o convencional de agregados de rio (CC-R) composto por areia de rio e seixos rolados; o convencional de agregados de britagem (CC-B) composto por areia de britagem e britas; e o de ultra-alto desempenho com substituição parcial do cimento por sílica ativa, sendo um deles composto por areia de rio (CUAD-R) e outro por areia de britagem (CUAD-B). As dosagens dos concretos foram formuladas a partir do modelo de Alfred, com o auxílio do método de Monte Carlo, para testar de forma aleatória e determinar as proporções otimizadas dos materiais. Três concretos de cada tipo foram produzidos para avaliação de suas propriedades, sendo que no caso dos CUAD, além desses três, foram produzidos mais quatro concretos por CUAD com a inserção de fibras (teores de 2 e 3% de aço e de 0,3 e 0,6% de polipropileno) de forma individualizada para a comparação dos efeitos oriundos dessas inserções. A escolha desses concretos se baseou no estudo das curvas traçadas entre o volume de pasta e o volume de vazios dos agregados, em função de q, o qual variou para cada mistura. Dos três concretos estudados para cada CC, dois deles foram moldados com a presença de aditivo e um terceiro, sem a presença de aditivo para verificar sua influência nas misturas. Já no caso dos CUAD, todos os concretos consideraram o uso de aditivo devido à substituição parcial do cimento por sílica ativa, a qual possui alto poder de aglomeração de partículas. No estado fresco, foram avaliadas a massa específica e a trabalhabilidade, sendo que os CC-R e os CUAD-B produziram misturas mais fluidas. No estado endurecido, foram avaliadas a resistência à compressão, o módulo de elasticidade, a resistência à tração na flexão e a resistividade elétrica superficial (RES), com destaque para o CUAD-R com 3% de fibras de aço, que atingiu aos 105 dias, respectivamente, resistência à compressão máxima de 108,28 MPa e resistência à tração na flexão máxima de 35,69 MPa, ambos para q = 0,21 e com consumo de cimento inferior a 600 kg/m3

Abstract: The increase in cement consumption in recent years has resulted in a higher level of extraction of raw materials for its manufacture and in CO2 emissions into the atmosphere. The particle packing technique using packing prediction models aims to produce stronger concrete using smaller quantities of cement, considering the efficiency of the materials used. The Alfred’s packing model has been widely used over the years to optimize granular compositions, such as concrete. Through the distribution module (q) of the model, whose value varies according to the desired properties for the concrete, it is possible to obtain optimized mixes that aim to produce more efficient concrete from an environmental, technological and economic point of view. The literature indicates the value of q = 0,37 as the value that returns the highest packing density and lowest porosity, thus requiring the minimum amount of water in the mixtures. However, experience has shown that the recommendations in the literature do not always lead to the expected performance, since the Alfred model was proposed for the optimization of mixtures of spherical grains, which in practice does not occur, since concrete is composed of grains with irregular morphology, often far from a sphere. Thus, the objective of this research is to study the Alfred’s model, in order to understand how the variation of the parameter (q) affects the composition and properties of concretes in fresh and hardened states, considering concretes produced with aggregates of different morphologies such as aggregates with more rounded grains (river sand and rolled pebbles) and aggregates with more angular grains and edges (crushed sand and gravel). The study considered four types of concrete: conventional river aggregate (CC-R) composed of river sand and rolled pebbles; conventional crushed aggregate (CC-B) composed of crushed sand and gravel; and ultra-high performance with partial replacement of cement by silica fume, one of which was composed of river sand (CUAD-R) and the other of crushed sand (CUAD-B). The concrete dosages were formulated based on the Alfred’s model, with the aid of the Monte Carlo’s method, to randomly test and determine the optimized proportions of the materials. Three concretes of each type were produced to evaluate their properties, and in the case of CUAD, in addition to these three, four more mixtures were produced per CUAD with the insertion of fibers (contents of 2 and 3% steel and 0,3 and 0,6% polypropylene) individually to compare the effects arising from these insertions. The choice of these concretes was based on the study of the curves drawn between the paste volume and the aggregate void volume, as a function of q, which varied for each mixture. Of the three concretes studied for each CC, two of them were molded with the presence of additive and a third, without the presence of additive to verify its influence on the mixtures. In the case of CUAD, all concretes considered the use of additive due to the partial replacement of cement by silica fume, which has a high particle agglomeration power. In the fresh state, the specific mass and workability were evaluated, and CC-R and CUAD-B produced more fluid mixtures. In the hardened state, the compressive strength, modulus of elasticity, flexural tensile strength and surface electrical resistivity (RES) were evaluated, with emphasis on CUAD-R with 3% steel fibers, which reached, at 105 days, respectively, maximum compressive strength of 108,28 MPa and maximum flexural tensile strength of 35,69 MPa, both for q = 0,21 and with cement consumption of less than 600 kg/m3