Contribuição ao estudo da reação álcali agregado em cimentos álcali-ativados

Abstract

Resumo: Os cimentos álcali-ativados (CAA) surgem como alternativas sustentáveis ao cimento Portland (CP), com menores emissões de CO2 e propriedades mecânicas superiores. No entanto, sua alta concentração de álcalis pode favorecer a reação álcali agregado (RAA), comprometendo a durabilidade do concreto. Este estudo investiga os mecanismos da RAA em CAA formulados com escória, cinza da casca de arroz e caulim, avaliando diferentes condições de exposição e a aplicabilidade dos métodos tradicionais de análise desenvolvidos para o cimento Portland (CP). Na primeira etapa, realizou-se a classificação de agregados reativos utilizando os testes de expansão em argamassa e concreto, selecionando o agregado mais reativo para a continuação dos experimentos. Na segunda etapa dosou-se o cimento álcali ativado, a partir de escória de alto forno (E), cinza da casca de arroz (CCA) e caulim (C). Ensaios de resistência à compressão, calorimetria e microestrutura foram conduzidos para otimizar a dosagem dos CAA, que apresentaram resistências mecânicas elevadas e comportamento adequado para análise da RAA. Na segunda etapa, a análise da RAA foi realizada por meio dos testes de argamassa e concretos, complementados pelo índice de classificação de danos (DRI) e o Stiffness Damage Test (SDT). O estudo também considerou os impactos de diferentes condições de exposição. Os resultados apontaram que o desempenho do CAA variou conforme o método de teste. No ensaio ABCPT, as amostras E (escória) e ECA (escória + CCA) permaneceram dentro do limite normativo de 0,04%, enquanto ECC (escória + CCA + C) e EC (escória + C) ultrapassaram esse valor, atingindo expansões de até 0,11%. No AMBT, as composições com escória também ultrapassaram os limites normativos, mas apresentaram expansões menores que o CPV. No ensaio CPT, o CAA mostrou expansões comparáveis ou inferiores ao CP, mas nem sempre abaixo dos limites normativos. A análise microestrutural indicou que produtos de hidratação, como o gel CASH (aluminosilicato de cálcio hidratado) e NASH (aluminosilicato de sódio hidratado), são responsáveis pela redução da reatividade dos álcalis. Além disso, os métodos convencionais de avaliação da RAA, projetados para o CP, mostraram-se inadequados para os CAA devido a diferenças na composição química e comportamento mecânico. A severidade das condições do AMBT, foi evidenciada. O ABCPT foi identificado como o mais adequado para analisar a RAA em CAA, especialmente devido à sua capacidade de minimizar a lixiviação de álcalis ao utilizar uma solução alcalina similar ao concreto. A combinação de testes acelerados e técnicas de análise de danos, como DRI e SDT, mostrou maior confiabilidade para avaliar o desempenho a longo prazo. Conclui-se que os CAA têm potencial para reduzir os impactos ambientais da indústria cimenteira e oferecem bom desempenho quanto à RAA. Este estudo contribui para o avanço na compreensão da durabilidade dos CAA, propondo ajustes nos métodos de avaliação

Abstract: Alkali-activated cements (AAC) have emerged as sustainable alternatives to Portland cement (PC), offering lower CO2 emissions and superior mechanical properties. However, their high alkali content may promote alkali–aggregate reaction (AAR), potentially compromising concrete durability. This study investigates the mechanisms of AAR in AAC formulated with slag, rice husk ash, and kaolin, evaluating different exposure conditions and the applicability of traditional assessment methods originally developed for Portland cement. In the first phase, reactive aggregates were classified using mortar and concrete expansion tests, allowing the selection of the most reactive aggregate for subsequent experiments. In the second phase, the alkali-activated cement was proportioned using ground granulated blast furnace slag (S), rice husk ash (RHA), and kaolin (K). Compressive strength, calorimetry, and microstructural analyses were conducted to optimize AAC mix design, which demonstrated high mechanical strength and suitable behavior for evaluating AAR. In the third phase, AAR performance was assessed through mortar and concrete tests, complemented by the Damage Rating Index (DRI) and the Stiffness Damage Test (SDT). The study also considered the influence of different exposure conditions. The results indicated that AAC performance varied according to the test method. In the ABCPT test, the S (slag) and S+RHA samples remained below the normative expansion limit of 0.04%, whereas the S+RHA+K and S+K mixtures exceeded this value, reaching expansions of up to 0.11%. In the AMBT test, slag-based compositions also exceeded the standard limits, although their expansions were lower than those of PCV. In the CPT test, AAC exhibited expansions comparable to or lower than PC, but not always below normative thresholds. Microstructural analysis revealed that hydration products such as CASH (calcium aluminosilicate hydrate) and NASH (sodium aluminosilicate hydrate) contribute to reducing alkali reactivity. Furthermore, conventional AAR assessment methods—designed for Portland cement—proved inadequate for AAC due to chemical and mechanical differences. The severity of AMBT exposure conditions was clearly evidenced. The ABCPT test was identified as the most suitable for evaluating AAR in AAC, particularly due to its ability to minimize alkali leaching by employing an alkaline solution similar to that of concrete pore solution. The combination of accelerated tests with damage assessment techniques such as DRI and SDT yielded greater reliability for long-term performance evaluation. In conclusion, AACs show significant potential for reducing the environmental impacts of the cement industry and demonstrate promising performance with respect to AAR. This study contributes to advancing the understanding of AAC durability and proposes adjustments to current evaluation methodologies