XVIII SEMINARIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS

FOZ DO IGUAQU

ABRIL 1989

ESTUDO DA POSSIBILIDADE DO USO DE CIMENTO PORTLAND DE ALTO

FORNO EM OBRAS DE GRANDE PORTE

1'IiMA I

Paulo Jose Ribeiro de Oliveira

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Miguel Normando Abdalla Saad

Companhia Energ6tica de Sao Paulo

749

I

1. INTRODUCAO

0 desenvolvimento da siderurgia no Pais trouxe Para a

industria cimenteira uma alternativa de produto que vem ganhan

do proporcoes e novos adeptos no mercado : o cimento de alto for

no. Para as empresas , produzir este tipo de cimento - composto

de subproduto industrial, acarreta em baixo custo, desde que as

fgbricas estejam localizadas em regioes pr6ximas as sideru-rgi

cas ou tenham facilidade de transporte da esc6ria destas, para

suas instalacoes industriais.

A diferensa bgsica na producao dos Portland Comum e Al

to Forno esta na moagem, quando e introduzida a escoria granula

da de alto forno, resultando para uma mesma quantidade do produ

to final, menores gastos das materias primas cimenticias. Dal

o interesse maior em produzi-lo, poupando em praticamente 50 %

as jazidas de calcgrio.

Encontram-se em Sao Paulo, Minas Gerais e Rio de Janei

ro, estados onde estao localizadas as grandes siderurgicas do

Pais, os fabricantes do Cimento Portland de Alto Forno.

Diante disto, julgou-se pertinente desenvolver um pro

grama de estudos, com este cimento, para conhecer suas caracte

risticas fisico-quimicas, verificar sua eficiencia no combate a

reacao glcali-agregado e avaliar algumas propriedades mecanicas,

elgsticas e termicas de concretos, com vistas a uma possivel

aplicacao em grandes obras.

2. C I MENTO DE ALTO FORNO

0 Cimento Portland de Alto Forno e definido pela NBR-

5735 da ABNT como aglomerante hidraulico obtido pela moagem de

clinquer portland e esc6ria granulada de alto forno, em teores

compreendidos entre 25 % e 65 % da massa total, com adicao even

tual do sulfeto de cglcio.

2.1. ESCORIA GRANULADA DE ALTO FORNO

A reducao do minerio de ferro em ferro-gusa a processa

da pelas siderurgicas em alto forno. Resultantes dos fenomenos

fisico-quimicos, que se dio durante a passagem deste material

pelo alto forno, permanecem no cadinho em estado liquido, o fer

ro fundido e a esc6ria, que por apresentar menor densidade flu

tua sobre este.

751

Retirada a nata em estado de fusao e submetida a um es

friamento brusco, realizado tao rapido quanto possivel , permite

obter - se um material vitrificado com textura granular - arenosa

que e a chamada esc6ria granulada de alto forno. Nela estao pre

sentes componentes de baixo conteudo de cal-silicato bicalcico

e silico -aluminatos de calcio, corn potencial hidraulico em es

tado latente . A constituicao da esc6ria de alto forno a simi

lar a do clinquer Portland , como mostra a figura 1 . A hidrauli

cidade da esc6ria de alto forno no depende somente de sua com

posicao quimica , mas a indispensavel que ela esteja o mais pos

sivel em estado vitreo.

A esc6ria granulada de alto forno por si s6 no pode

ser considerada como aglomerante hidraulico , pois reage muitolentamente com a agua. No entanto , esta reagao pode ser acele

rada em presenga de hidrato de calcio Ca(OH )2, agente cataliza

dor liberado pelo clinquer Portland em presenca de agua.

Um dos aspectos que faz da esc6ria de alto forno um ma

terial de grande interesse para a producao do cimento esta na

uniformidade de sua composicao quimica . Existe uma correlacao

entre as condicoes 6timas de funcionamento do alto forno e a

composicao quimica da escoria, sua temperatura , viscosidade e

capacidade de desulfurizacao do ferro-gusa. Isto faz com que

as siderurgicas exercam um controle rigoroso sobre os elementos

constituintes da esc6ria , resultando um produto com composicao

praticamente constante , eliminando assim, a possibilidade de

ocorrer componentes pre.judiciais a seu emprego como mate-ria pri

ma na fabricacao do Cimento Portland de Alto Forno.

3. PROGRAMA DE ESTUDO

Elaborou - se um programa de estudo objetivando conhecer

as caracteristicas do cimento de Alto Forno, com diversos teo

res de esc6ria e verificar seu efeito em presenca de agregado

potencialmente reativo com alcalis ; por fim avaliar algumas pro

priedades mecanicas , elasticas e termicas de concretos com dife

rentes diametros maximos, compostos com Cimento Portland de Al

to Forno produzido comercialmente . Adotou- se como elemento de

referencia , composicoes de cimento e pozolana , tradicionalmente

empregadas em obras de barragens.

752

3.1. ESTUDO DO CIMENTO

Tomou- se amostras de clinquer de duas procedencias, di

ferenciadas pelos teores de alcalis.

Com cada uma delas produziu-se no Laboratorio um cimen

to de referencia, clinquer e gesso, moido por um periodo sufici

ente para atingir a finura do 3 500 + 200 cm2/g no Permeabilime

tro Blaine.

0 cimento de Alto Forno foi obtido em duas series de

moagens: na primeira, cimentos produzidos com diferentes porcen

tagens de esc6ria granulada, em relaoao ao peso total, moidos

por um periodo igual ao da moagem do cimento de referencia, e

na segunda, moidos com as mesmas porcentagens de escoria da an

terior, ate atingirem uma finura semelhante a do cimento-referen

cia.

Para estas moagens do cimento de Alto Forno, realizadas

a quente (115°C) em moinho de ferro, foram adotados teores de

esc6ria que atendessem as limitacoes da NBR-5735. Ainda, para

efeito comparativo utilizou-se 1S o de substituigdo, teor nor

malmente admitido em Cimento Portland Comum tipo CP-32.

Com os cimentos assim obtidos fez-se analises fisico-

quimicas, de acordo com a metodologia empregada pelo LCEC, con

tida na referencia (1). Seus resultados sao apresentados nas

figuras 3 e 4.

Julgou-se do interesse verificar a performance deste ti

po de cimento no combate a reacao alcali-agregado. Para tanto,

moldou-se barras de argamassa de cimento de Alto Forno, com os

diferentes teores de escoria, e pirex - silica reativa. A figu

ra 5 mostra os resultados de expansao das barras com o tempo

e ainda, a titulo ilustrativo, o comportamento em situacao iden

tica, de barra de cimento CP-32, pozolana e pirex.

3.2. ESTUDO DE CONCRETOS

Cumpriu-se um programa de estudos com concretos estrutu

rais e massivos, com diferentes diametros maximos de agregados.

Estabeleceu-se como objetivo avaliar alguns parametros mecani

cos, elasticos e termicos de misturas de concretos com Portland

de Alto Forno e compara-los com os de concretos semelhantes,com

postos de Portland Comum e pozolana - aglomerantes largamente

empregados em obras de grande porte.

Empregou-se basalto britado como agregado graudo e com

753

posicoes de areia natural e pedrisco, proveniente de britagem

do basalto, como miudo. A caracterizacao desses materais a mos

trada na figura 6.

Os cimentos Portland Comum e de Alto Forno, bem Como a

pozolana , aplicados nos concretos , sao produzidos comercialmen

te. Apresenta-se na figura 7 as analises fisico-quimicas des

tes produtos.

As composicoes dos concretos foram feitas de acordo com

o metodo empregado pelo LCEC (1). Nos concretos em que se uti

lizou cimento e pozolana, este ultimo foi aplicado nos teores

de 20 % para concretos com diametro maximo de ate 38 mm e 30 %

para os demais, em volume s6lido.

Na figura 8 apresenta-se a composicao dos concretos, caracteristicas em estado fresco c resultados dos testes realiza

dos. Nas figuras 9 a 12 sao mostrados os resultados de resis

tencia a tracao na flexao de vigas, submetidas a carregamento

rapido, e capacidade de alongamento dos concretos nas idades de

7, 28 e 90 dias; na figura 13, as curvas de elevacao adiabatica

de temperatura dos concretos massivos.

Os testes foram executados segundo os metodos de ensai

os do LCEC, citados na referencia (1).

4. COMENTARIOS

Com relacao a composicao quimica da esc6ria granulada

de Alto Forno, observa-se elevado teor de 6xido de magnesio, se

comparado com o especificado para cimento Portland. No Portland,

o excesso de magnesia provoca expansao, principalmente se se

apresenta na forma de cristais (periclase) acumulados em deter

minados pontos , cuja hidratagdo e aumento de volume geram esfor

cos concentrados . No entanto, o fenomeno a inibido quando a

magnesia se encontra dissolvida na esc6ria.

Os cimentos Alto Forno apresentam baixo calor de hidra

tacao e um tempo de pega maior , em relacao ao Portland Comum.

Sabe-se que em presenga d'agua os cimentos com escoria produzem

duas reacoes distintas: uma que consiste na hidratacao do clin

quer Portland, que por dissociacao produz certa proporcao de hi

drato de calcio, e a segunda, que consiste na hidratacao da

esc6ria granulada, ativada pela presenca do hidrato de calcio

precipitado. 0 desenvolvimento desta segunda reacao a lento,

em comparacao ao da primeira £3).

754

0 calor de hidratacao do cimento AF a funcao da composi

cao quimica da esc6ria. Apresenta-se na figura 2, como exemplo

ilustrativo, as curvas de evolucao do calorde hidratacao dos ci

mentos AF, CP e CP com 20 % e 40 % de pozolana.

A respeito dos resultados do estudo de cimentos com es

c6ria, produzidos no Laborat6rio, faz-se as seguintes considera

toes:

- As exigencias da NBR 5735 foram atendidas na analise

ffsico- quimica dos cimentos. 0 teor de enxofre nao foi deter

minado.

- Nas moagens com 60 % de esc6ria , por um perfodo igual

ao do cimento-referencia, resultou um produto nao homogenio e

com finura inferior a minima especificada para o tipo 25. No

entanto, estes cimentos apresentaram uma evolugao de resisten

cia a compressao satisfat6ria para idades mais avangadas, acima

de 90 dias, atingindo valores superiores ao cimento comum.

- Nas finuras analisadas, os cimentos apresentaram bai

xa retracao por secagem e aumento da redugao da expansao de ar

gamassa, com a elevagdo dos teores de esc6ria.

- Atraves de analise dos graficos de reatividade poten

cial com pirex pode-se avaliar a eficiencia do cimento de Alto

Forno no combate a reagao alcali-agregado. Observa-se que para

os casos estudados, apenas os cimentos com 60 % de esc6ria mos

traram-se eficientes.

Para verificagdo de algumas propriedades mecanicas,elas

ticas e termicas de concretos com cimento Alto Forno, estabele

ceu-se como elemento comparative os resultados apresentados por

composicoes com caracteristicas semelhantes, de concretos com

cimento Portland Comum mais pozolana.

Uma maneira de expressar a potencialidade dos concretos

e apresentar a "eficiencia das dosagens", definida como sendo o

quociente da resistencia a compressao do concreto pelo consumo

de aglomerantes. A figura 14 mostra os resultados obtidos pa

ra este estudo.

5. CONCLUSAO

0 principal prop6sito deste trabalho a dar conhecimento

a tecnicos de Concreto da performance do cimento Alto Forno,que

755

vem assumindo proporcoes de destaque no mercado cimenticio do

Pais, de forma a trazer a discussao sua aplicacao em grandes

obras.

Em concreto massa, por exemplo, ondea resistencia nas

primeiras idades a menos importante que o calor gerado na es

trutura, o emprego do cimento Alto Forno pode ser recomendado,

como mostram os resultados aqui apresentados.

6. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao corpo tecnico do Laborat6rio

Central de Engenharia Civil, pelo empenho na compilacao dos da

dos e apresentacao deste trabalho.

7. BIBLIOGRAFIA

1. LABORATORIO CENTRAL DE ENGENHARIA CIVIL - CESP

"Metodos de Ensaios - Vol. I a IV".

2. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS

"Annual Book of ASTM Standards" - 1983

3. CZERNIN, WOLFGANG

"La Quimica del CEMENTO"

4. PAPADAKIS, MICHEL y VERMATE, MICHEL

"Fabricacion , Caracteristicas y Aplicaciones de los Di

versos Tipos de Cemento".

S. LABORATORIO CENTRAL DE ENGENHARIA CIVIL - COMPANHIA ENER

GETICA DE SAO PAULO

Relat6rios Tecnicos nos C-18/80; C-40/80; C-35/81; C-13/

82; C-21/82.

756

RESUMO

Este trabalho mostra os resultados de um programa de

estudos com cimento de Alto Forno, desenvolvido pelo LCEC - La

boratorio Central de Engenharia Civil da CESP, objetivando co

nhecer suas caracteristicas fisico-quimicas, verificar sua efi

ciencia no combate a reagdo alcali-agregado e avaliar algumas

propriedades mecanicas, elasticas e termicas de concretos, com

vistas a possivel aplicacao deste cimento em grandes obras.

757

MATERIAL

ELEMENTO

ESCORIA DE

ALTO FORNOCLINQUER A CLINQUER B

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DEFORMACAO ESPECIFICA E x 40 6

IDADE 7 DIASA IDADE 28 DIAS

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DEFORMACAO ESPEC(FICA C x I0 6 DEFORMACAO ESPEC(FICA E x 10 6

IDADE 90 DIAS

FIG. 9 - TRAgAO NA FLEXAO - CAPACIDADE DE ALONGAMENTO

CONCRETOS 49 mm

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IDADE 90 DIAS

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DEFORMA;AO ESPECIF.

TRACO(MPa) (Ex106)

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DIAS DIAS DIAS DIAS DIAS DIAS

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AF-38 2,4 4 3, 80 5,43 1 17 439 150

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DEFORMAcXO ESPECIFICA ( C x 40-s )

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FIG. 40-TRAcAO NA FLEXAO - CAPACIDADE DE ALONGAMENTO

CONCRETOS 38 mm

766

IDADE 7 DIAS

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DEFORMACAO ESPECIFICA ( E x 10-6)

IDADE 90 DIAS

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DEFORMAcAO ESPECIFICA (E x i0_6 )

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IDADE 28 DIAS

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MODULO DERUPTURA DEFORMAC^AOESPECIF.

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DIAS DIAS DIAS DIAS DIAS DIAS

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AF- 64 4,3 4 2,45 3,02 62 76 400

FIG. II - TRAqAO NA FLEXAO - CAPACIDADE DE ALONGAMENTO

CONCRETOS 64 mm

767

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AF-100

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50 100 150 200

DEFORMACAO ESPECIFICA ( E x 10-6 )

MODULO DERUPTURA DEFORMACAO ESPECIF

A(MPo) ( £x10-6)

TR CO7 28 90 7 28 90

DIAS DIAS DIAS DIAS DIAS DIAS

CP-100 0,90 1,57 1,87 63 72 80

AF-400 0,83 1,78 2,45 54 85 96

25 50 75 100DEFORMAC,AiO ESPECIFICA ( Ex 10-')

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DEFORMACAO ESPECIFICA ( C x 10- 6 )

FIG. 12 - TRACAO NA FLEXAO - CAPACIDADE DE ALONGAMENTO

CONCRETOS 400 mm

768

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40 12 14 45

TRACO CP 64 AF64 CP100 AF100

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A/C 0,650 0,650 0,750 0,750

CALOR DE HIDRATACAO 7 DIAS 73 66 73 66

CAL/g 28 DIAS 82 79 82 79

TEMPERATURA INICIAL °C 25,7 24,2 27,0 25,5

TEMPERATURA EOUILIBRIO °C 49,8 45 ,3 45,0 43,7

EVOLUCAO (TI -TE) °C 24,4 21,1 48,0 18,2

FIG.13 ELEVACAO ADIABL\TICA DE TEMPERATURA

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