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Desempenho Mecânico e Mecanismo Microestrutural de um Sistema Cimentício Compósito Ternário de Silicato–Ferroaluminato–Cinza Volante
2026-08-06 17:13:08
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0 Introdução
O Cimento Portland Comum (OPC) permanece como o aglomerante hidráulico dominante na construção civil global devido ao seu excelente desempenho mecânico, ampla disponibilidade e tecnologia de produção bem estabelecida. No entanto, com a rápida expansão do desenvolvimento de infraestrutura global, várias limitações dos sistemas OPC tornaram-se cada vez mais aparentes, incluindo desenvolvimento de resistência em idade inicial relativamente lento, liberação concentrada de calor de hidratação, retração por secagem significativa e desafios de durabilidade em ambientes exigentes, como estruturas marítimas e projetos de reparo rápido.
Enquanto isso, a indústria cimenteira está sob pressão crescente para reduzir as emissões de gases de efeito estufa. A fabricação de cimento é responsável por aproximadamente 7–8% das emissões globais de CO₂, resultando principalmente da produção de clínquer em alta temperatura e da descarbonatação do calcário. Portanto, o desenvolvimento de materiais cimentícios de baixo carbono com menor consumo de clínquer, melhor desempenho mecânico e durabilidade aprimorada tornou-se uma direção de pesquisa fundamental em todo o mundo.
O cimento de ferroaluminato (FAC), um cimento hidráulico especializado com alto teor de fases de ferroaluminato, tem atraído atenção crescente devido ao seu rápido desenvolvimento de resistência, baixas características de retração, resistência à corrosão e menor demanda de energia para produção de clínquer em comparação com o cimento Portland tradicional. Suas principais fases de clínquer incluem sulfoaluminato de cálcio (C₄A₃S), silicato dicálcico (C₂S) e ferroaluminato de cálcio (C₄AF).
No entanto, semelhante a outros sistemas de cimento de endurecimento rápido, o FAC puro pode sofrer com desenvolvimento insuficiente de resistência em idades mais avançadas ou redução de resistência devido a produtos de hidratação limitados em longo prazo. Para superar essa limitação, materiais cimentícios suplementares (SCMs), especialmente cinza volante (FA), têm sido amplamente estudados.
A cinza volante, um subproduto industrial globalmente disponível, melhora a trabalhabilidade através do empacotamento de partículas e efeitos de esferas de rolamento. Enquanto isso, sua atividade pozolânica consome hidróxido de cálcio (CH) e produz gel adicional de silicato de cálcio hidratado (C–S–H), contribuindo para o aumento da resistência em longo prazo e a redução de carbono.
Estudos anteriores concentraram-se principalmente em sistemas cimentícios binários, como misturas OPC–SCM ou OPC–cimento sulfoaluminato. No entanto, os mecanismos de hidratação, a evolução mecânica e as características microestruturais dos sistemas compósitos ternários OPC–FAC–FA permanecem insuficientemente compreendidos.
Este artigo apresenta uma perspectiva global sobre o desenvolvimento de um aglomerante compósito ternário combinando cimento Portland, cimento de ferroaluminato e cinza volante. Através da análise do projeto de mistura, propriedades mecânicas, comportamento de retração e caracterização microscópica usando difração de raios X (XRD) e microscopia eletrônica de varredura (SEM), o mecanismo de hidratação sinérgica deste sistema cimentício de baixo carbono é discutido.
1 Visão Geral do Projeto Experimental
O programa experimental foi conduzido com uma relação água/aglomerante constante de 0,36 e relação areia/aglomerante de 0,5.
Um OPC de grau 42,5 foi usado como aglomerante de referência. O cimento de ferroaluminato foi introduzido substituindo o OPC em níveis de 0–10% em massa, produzindo uma série de misturas binárias OPC–FAC.
Com base no teor otimizado de FAC de 8%, a cinza volante foi incorporada adicionalmente substituindo o OPC em níveis variando de 0–60%, formando sistemas ternários OPC–FAC–FA.
A avaliação experimental incluiu:
Medições do tempo de pega das pastas de cimento;
Teste de fluidez da argamassa;
Testes de resistência à flexão e à compressão em diferentes idades de cura;
Medições de retração por secagem até 90 dias;
Análise de fases por XRD e observação microestrutural por SEM.
2 Evolução das Propriedades Macroscópicas
2.1 Comportamento de Pega e Trabalhabilidade
A incorporação de FAC acelerou significativamente a hidratação do cimento.
Para OPC puro, os tempos de pega inicial e final foram de aproximadamente 147 minutos e 225 minutos, respectivamente. Quando 10% de FAC foi introduzido, o tempo de pega inicial diminuiu para 40 minutos, representando uma redução de 72,7%, enquanto o tempo de pega final diminuiu para 80 minutos, uma redução de 64,4%.
Esse comportamento acelerado de pega é atribuído principalmente à hidratação rápida das fases de ferroaluminato. Durante a hidratação do OPC, o hidróxido de cálcio aumenta a alcalinidade do sistema e promove a formação de etringita (AFt) a partir do C₄A₃S no FAC. A cristalização rápida de AFt cria uma estrutura rígida inicial, acelerando a perda de plasticidade.
O efeito do FAC na trabalhabilidade mostrou uma tendência típica de "aumento seguido de diminuição". Em dosagens mais baixas de FAC, o empacotamento de partículas melhorou a fluidez, enquanto o FAC excessivo acelerou a hidratação e aumentou o consumo de água, reduzindo a fluidez.
No sistema ternário OPC–FAC–FA, a adição de cinza volante produziu um efeito não linear. Baixos teores de cinza volante aceleraram a formação de AFt e encurtaram o tempo de pega, enquanto teores mais altos de cinza volante aumentaram o tempo de pega e melhoraram a fluidez devido aos efeitos de diluição e ao melhor empacotamento de partículas.
2.2 Desempenho Mecânico
O FAC puro exibiu desenvolvimento limitado de resistência em longo prazo, enquanto a combinação de FAC com OPC melhorou efetivamente essa desvantagem. As misturas binárias OPC–FAC mostraram maior resistência do que os sistemas de OPC puro e FAC puro.
A mistura contendo 10% de FAC alcançou o melhor desempenho binário:
Resistência à compressão aos 7 dias: 38,3 MPa;
Resistência à compressão aos 14 dias: 42,8 MPa;
Resistência à compressão aos 28 dias: 46,6 MPa.
Em comparação com o OPC puro, a resistência à compressão aumentou 24,8%, 18,4% e 15,6% aos 7, 14 e 28 dias, respectivamente. A resistência à flexão também aumentou 28,4%, 22,6% e 15,1%.
A melhoria da resistência inicial resultou de:
Hidratação rápida das fases C₄A₃S e C₄AF;
Hidratação acelerada dos minerais do clínquer do OPC, especialmente C₃S e C₂S.
No sistema ternário, a cinza volante reduziu a resistência inicial aos 7 e 14 dias devido à sua taxa de reação mais lenta. No entanto, a resistência à compressão aos 28 dias primeiro aumentou e depois diminuiu com o aumento do teor de cinza volante.
O teor ótimo de cinza volante foi de aproximadamente 20%, alcançando uma resistência à compressão aos 28 dias de 49,4 MPa, que foi 7,4% maior do que o sistema binário FAC8%.
Uma composição equilibrada OPC–FAC–FA contendo 8% de FAC e 30% de FA manteve excelente desempenho, com resistência à compressão e à flexão aos 28 dias ainda 15,9% e 9,9% maiores do que o OPC puro.
2.3 Desempenho de Retração por Secagem
A redução da retração é uma das vantagens importantes do sistema de aglomerante ternário.
Aos 90 dias:
OPC puro mostrou retração por secagem de aproximadamente 1055 μm/m;
FAC puro mostrou apenas 421 μm/m;
OPC com 10% de FAC reduziu a retração para 846 μm/m.
A redução foi atribuída principalmente à expansão dos cristais de AFt e à maior rigidez em idade inicial, que ajudaram a compensar a deformação por retração.
A cinza volante melhorou ainda mais a resistência à retração. A mistura FAC8%-FA30% alcançou um valor de retração aos 90 dias de 787 μm/m, representando uma redução de 25,4% em comparação com o OPC puro.
A melhoria resultou de:
Redução da demanda de água devido ao empacotamento de partículas da cinza volante;
Refinamento da estrutura de poros causado pelas reações pozolânicas;
Redução do calor de hidratação e da tensão interna.
3 Evidências Microestruturais e Mecanismo de Hidratação
A análise por XRD confirmou o mecanismo de hidratação sinérgica do sistema ternário.
Após a incorporação de FAC:
Os picos característicos de AFt aumentaram significativamente;
Os picos de C₃S e C₂S diminuíram.
Esses resultados indicam que o FAC acelera as reações de hidratação das fases do clínquer do OPC.
Após a adição de 30% de cinza volante:
O pico característico de CH diminuiu significativamente;
confirmando que as reações pozolânicas consumiram hidróxido de cálcio e geraram gel adicional de C–S–H.
As observações por SEM mostraram:
OPC puro continha cristais de CH em forma de placa e fases limitadas de AFt fibroso.
Amostras FAC8% exibiram redes densas de cristais de AFt em forma de agulha e teor reduzido de CH.
Amostras FAC8%-FA30% mostraram partículas de cinza volante revestidas com gel de C–S–H, com poros preenchidos e uma microestrutura mais densa.
As propriedades mecânicas melhoradas, a retração reduzida e a resistência aprimorada em longo prazo podem ser atribuídas aos efeitos combinados de:
Formação da estrutura de AFt + consumo de CH + preenchimento do gel de C–S–H.
4 Implicações Globais de Engenharia e Perspectivas Futuras
O sistema cimentício ternário OPC–FAC–FA representa uma abordagem promissora para o desenvolvimento de aglomerantes de baixo carbono e alto desempenho para aplicações globais na construção.
Suas vantagens vêm das funções complementares de cada componente:
FAC fornece rápido desenvolvimento de resistência em idade inicial e compensação de retração;
A cinza volante melhora a resistência em longo prazo, a durabilidade e a sustentabilidade;
OPC fornece hidratação estável e base mecânica.
O processo de hidratação pode ser resumido como:
Formação da estrutura de AFt em idade inicial → Densificação do C–S–H em idade posterior
Isso torna o sistema ternário atraente para:
Componentes de concreto pré-moldado;
Materiais de reparo rápido para pavimentos e pontes;
Infraestrutura marítima;
Estruturas de engenharia subterrânea.
Uma faixa prática de composição pode ser considerada:
Cimento de ferroaluminato: 8–10%;
Cinza volante: 20–30%.
A proporção ideal deve ser ajustada de acordo com os requisitos do projeto, incluindo resistência inicial, durabilidade e metas de redução de carbono.
Pesquisas futuras devem focar em três áreas principais:
Expansão de materiais cimentícios suplementares incorporando escória, escória de aço, argila calcinada e outros resíduos industriais.
Avaliação abrangente de durabilidade, incluindo resistência a cloretos, resistência à carbonatação, resistência a sulfatos e estabilidade volumétrica em longo prazo.
Validação em escala de engenharia através de aplicações em concreto, testes de campo e desenvolvimento de normas internacionais.
À medida que a indústria global da construção avança em direção a emissões líquidas zero, aglomerantes compósitos ternários que combinam fases de hidratação rápida com materiais suplementares sustentáveis podem fornecer um caminho eficaz para alcançar tanto alto desempenho quanto redução significativa de carbono.
