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11 de Outubro de 2019

Pesquisa investiga o “câncer do concreto”

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Resultados podem contribuir para uma melhor compreensão de reação química que causa a degradação de estruturas de concreto


O concreto é o material mais utilizado na construção civil e, consequentemente, um dos materiais mais consumidos pela humanidade. Ele pode fazer parte de praticamente todo tipo de construção, de residências a grandes obras de infraestrutura pública, como pontes e barragens. A resistência e a durabilidade do concreto dependem da proporção entre seus constituintes: o cimento Portland, areia, brita e água.

O cimento, por sua vez, é um pó fino produzido a partir de calcário e argila que, com adição de água, se torna uma pasta aglomerante, que endurece por meio de uma série de reações químicas complexas. Após o endurecimento, o concreto mantém sua estrutura mesmo que entre novamente em contato com a água. Com o tempo, no entanto, o concreto pode sofrer degradação por inúmeros fatores, tanto físicos quanto químicos.

Conhecida como “o câncer do concreto”, a reação álcali-sílica (ASR, na sigla em inglês) é uma reação química entre a sílica presente em agregados constituintes do concreto e os hidróxidos alcalinos, formados a partir dos constituintes do cimento. O produto dessa reação é um gel higroscópico que se expande na presença de água, gerando estresse mecânico e fissuração generalizada.

Superfície de um pilar de concreto apresentando o padrão típico de fissuras da reação álcali-sílica (ASR). Fonte: Wikimedia.

Consequentemente, estruturas de concreto em contato direto com a água, tais como barragens, dutos, fundações, pontes e estruturas marinhas são mais suscetíveis à ocorrência da ASR. Esse tipo de estrutura é considerado ‘especial’ e de ‘alta complexidade’ no campo da engenharia civil, devido a suas peculiaridades construtivas e seu alto custo. Em casos extremos, as estruturas atacadas podem vir a ser, inclusive, condenadas.

Pode-se mitigar a ocorrência da reação em novas construções através de diversas medidas complementares, como a limitação do teor de metais alcalinos do cimento e de sílica reativa no agregado. No entanto, uma vez que a reação álcali-sílica se inicia, não há métodos eficazes conhecidos para interrompê-la. Apesar dos estudos realizados até o momento, ainda se sabe pouco a respeito da estrutura atômica do gel produzido na reação, e a investigação dessa estrutura em escala nanométrica deve contribuir para o entendimento do fenômeno.

Nesse contexto, R. J. Prado, da Universidade Federal do Mato Grosso, e colaboradores [1] buscaram obter informações a respeito da estrutura atômica do gel produzido pela ASR para, dessa forma, subsidiar uma melhor compreensão da reação, da estrutura atômica do gel produzido e de seu mecanismo de expansão, além do futuro desenvolvimento de procedimentos para a recuperação de estruturas de concreto previamente afetadas.

Para isso, os pesquisadores coletaram amostras de gel das paredes da galeria de uma barragem localizada no estado de Minas Gerais, que possui rachaduras causadas pela ASR. Adicionalmente, para reproduzir em condições de laboratório os efeitos da reação, agregados típicos utilizados no concreto também foram atacados quimicamente com uma solução rica em hidróxido de potássio ($\rm KOH$).

O grupo utilizou as linhas de luz SXS e XAFS2 do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) e obtiveram informações sobre a estrutura atômica local (primeiros e segundos vizinhos) média ao redor dos átomos de potássio ($\rm K$) e silício ($\rm Si$) do gel produzido pela ASR.

Essas informações foram obtidas através da técnica chamada estrutura fina de absorção de raios X (XAFS, na sigla em inglês). A técnica consiste na análise da difusão de fotoelétrons gerados por diferentes elementos químicos em função da incidência de raios X. Ao se selecionar diferentes faixas de energia dos raios X incidentes, é possível selecionar qual elemento químico emitirá fotoelétrons e, consequentemente, estudar isoladamente a estrutura atômica local ao redor dos átomos deste elemento químico.

Segundo os pesquisadores, a utilização da técnica de XAFS foi fundamental para este estudo, pois ela possibilita a obtenção de dados de uma estrutura altamente desordenada, como é o caso do gel da ASR. Os resultados mostram que a estrutura do gel de ASR é muito mais complexa, e bem diferente, do que previam os modelos estruturais mais aceitos.

A estrutura atômica média ao redor dos átomos de potássio, no gel da ASR, apresentou sinal compatível com a existência de poliedros interconectados de $\rm KO_n$. Já a estrutura atômica média ao redor dos átomos de silício apresentou sinal compatível com a existência de uma estrutura defeituosa formada por tetraedros interconectados de $\rm SiO_4$.  No entanto, não foi possível identificar a existência de átomos de potássio como segundos vizinhos do Si, nem de átomos de silício como segundos vizinhos do $\rm K$. Os dados experimentais indicam, assim, que o gel da ASR é quimicamente não-homogêneo, e formado por nanoaglomerados de poliedros de $\rm KO_n$ e nanoaglomerados de tetraedros de $\rm SiO_4$.

Fonte: [1] R.J. Prado, F. Tiecher, N.P. Hasparyk, D.C.C. Dal Molin, Structural characterization of alkali-silica reaction gel: An x-ray absorption fine structure study, Cement and Concrete Research, 123 (2019) 105774. DOI: 10.1016/j.cemconres.2019.05.019.