Estudo sobre as reações pozolânicas de argilas calcinadas: contributo para o desenvolvimento de geomateriais

Tese de doutoramento em Engenharia Geológica, na especialidade de Geologia do Ambiente e Ordenamento, apresentada ao Departamento de Ciências da Terra da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de CoimbraA utilização de adições pozolânicas na composição do cimento portland ou na sua substituição parcial no fabrico do betão encontra-se bastante generalizada e são conhecidos os efeitos benéficos de tais adições na resistência mecânica e durabilidade. No entanto, a utilização de metacaulino como adição pozolânica não é ainda muito utilizada, eventualmente pelo seu recente desenvolvimento e pela dificuldade em definir as características adequadas ao desempenho necessário. Com este trabalho pretende-se investigar a relação entre matérias-primas argilosas de diferentes origens geográficas (Cervães, Coja e Catraia dos Poços) com a qualidade do produto resultante e a influência deste na resistência do betão contribuindo deste modo para o conhecimento sobre o potencial de utilização deste tipo de pozolanas. O metacaulino é obtido por calcinação de argilas onde a caulinite seja um dos minerais predominantes, em condições de temperatura e tempo de exposição adequados à natureza da matéria-prima. Na prática obtém-se um novo produto onde a cristalinidade da caulinite é destruída pela perda da água constituinte, o que lhe permite adquirir propriedades pozolânicas que ao reagir com o hidróxido de cálcio resultante da hidratação do cimento, formam compostos com propriedades aglomerantes, estáveis e insolúveis, de matriz porosa fina que aumentam a resistência mecânica e dificultam a penetração dos agentes agressivos. Ao hidróxido de cálcio é atribuída grande parte da responsabilidade, embora que indireta, pela degradação do betão. Estes fenómenos são tanto mais rápidos quanto maior for a porosidade do betão, podendo a pozolana possuidora de uma elevada finura, contribuir para a diminuição da rede porosa, aumentado a resistência à carbonatação e à penetração de outros agentes agressivos. As argilas utilizadas nesta investigação foram selecionadas a partir dos materiais existentes com separação por via húmida das granulometrias inferiores a 74 μm e a 63 μm, procurando simular um processo industrial simples que utilize o máximo de recurso mineral disponível. Determinaram-se as propriedades físicas e químicas das matérias-primas e das argilas calcinadas produzidas em consonância com as principais características preconizadas pelas normas ASTM C-618 e NF P 18-513 e compararam-se os resultados obtidos com os limites de aceitação das referidas normas, dos quais se destacam a finura (percentagem de partículas superiores a 63 µm e 45 µm), teor em SiO2 e Al2O3, índice de atividade, fixação do hidróxido de cálcio e resistência à compressão. Depois de calcinadas, as argilas foram utilizadas na substituição parcial do cimento portland no fabrico de provetes de betão para determinação da sua influência e verificação da evolução da resistência mecânica do betão entre 3 e 180 dias. Concluiu-se que, embora alguns dos resultados da avaliação da qualidade do produto não cumpram com os requisitos da norma NF P 18-513 e as matérias-primas utilizadas fossem constituídas por diversos minerais argilosos com diferente composição química, granulometria e temperatura necessária para a calcinação, é possível produzir um material pozolânico com qualidade que permite a respetiva utilização na substituição parcial do cimento portland no fabrico de betão, mantendo ou melhorando a sua resistência mecânica.The utilization of pozzolanic additions in the composition of Portland cement or in partial replacement of the same in the manufacture of concrete is very widespread and is well known the beneficial effects of such additions in the mechanical strength and durability of the concrete. However, the utilization of metakaolin as pozzolan is not yet widely used, due to the most recent developments and the difficulty to achieve the appropriate characteristics for the required performance. This work aims to investigate the relationship between clay materials of different geographical origins (Cervães, Coja e Catraia dos Poços) with the quality of the resulting product and the importance of this to the concrete strength thus contributing to the knowledge of the potential for using this type of pozzolan in partial replacement of Portland cement. Metakaolin is obtained by calcination of kaolinitic clays where this is one of the predominant minerals, under appropriate temperature and exposure time according to the nature of the raw material. In practice a new product is obtained where the crystallinity of kaolinite are destroyed by loss of the constituent water, which allows it to acquire pozzolanic properties and react with calcium hydroxide produced during the hydration of the concrete, to form compounds with cement properties, stable, insoluble, with thin porous matrix, increasing the mechanical strength and undermine the penetration of the aggressive agents. Calcium hydroxide is assigned as the major responsibility, although indirect, by degradation of the concrete. This phenomenon is much faster with concrete of higher porosity, but the utilization of pozzolan with a high fineness contributes to the reduction of porous network, enhanced resistance to carbonation and penetration of other aggressive agents. The clays used in this investigation were selected from existing materials with wet separation for particle sizes of less than 74 µm and 63 µm, trying to simulate a simple industrial process that uses the maximum mineral resource available. The physical and chemical properties of raw materials were evaluated and calcined clays were produced in line with the main features recommended by ASTM C - 618 and NF P18 -513 and the results were compared with the limits of acceptance of the standards, among which are the fineness (percentage of particles larger than 63 µm and 45 µm), Al2O3 and SiO2 content, activity index, fixation of calcium hydroxide and compressive strength. After calcination, the clays were used in partial replacement of Portland cement in the manufacture of concrete specimens for evaluation and verifying the evolution of the compressive strength of concrete between 3 and 180 days. It was concluded that, despite the fact that some of the quality results didn’t comply with the features of NF P 18-513, and the raw materials used were composed of several clay minerals with different chemical compositions, particle size and the calcination temperature, it is possible to produce a pozzolanic material with quality which allows the use in partial replacement of Portland cement in the manufacture of concrete while maintaining or improving its compressive strength