Qual é o mecanismo de ação do agente expansor no concreto?

Na engenharia de construção é comum a ocorrência de fissuras no concreto e infiltração de água, e fissuras estruturais podem afetar a estética ou, em casos graves, a segurança da edificação. Devido a fatores como aumento do uso de cimento, maiores requisitos de resistência, condições de construção e cura inadequada, a formação de fissuras em estruturas de concreto é inevitável. Atualmente, a única abordagem viável em engenharia é controlar as fissuras dentro de limites inofensivos.

Causas de fissuras no concreto

Existem várias razões para fissuras no concreto em projetos de construção, incluindo projeto estrutural, cura de construção e matérias-primas. A principal causa das fissuras é a tensão de tração gerada quando o concreto sofre carga, deformação e mistura durante o processo de endurecimento. As fissuras ocorrem quando a tensão de tração interna excede a resistência à tração última do concreto. Entre estas, as fissuras não estruturais causadas por deformação representam 80%, e a maioria destas fissuras não estruturais são devidas à retração do concreto (como retração autógena, retração plástica, retração por secagem, retração térmica, etc.).

Não existem especificações técnicas detalhadas para controlar fissuras não estruturais, e os métodos comuns utilizados na engenharia incluem o projeto de juntas de dilatação ou o emprego do "método de armazém saltante" durante a construção. No entanto, esta abordagem prolonga o período de construção e aumenta os custos de limpeza. Extensas aplicações de engenharia demonstraram que o método mais eficaz é usar concreto com compensação de retração para controle de fissuras.

Mecanismo e Aplicação de Agentes Expansivos

Os agentes expansivos do concreto são aditivos que, quando adicionados ao concreto, fazem com que ele se expanda em volume, compensando a retração do concreto. Os agentes expansivos são classificados com base em seus componentes expansivos, como sulfoaluminato de cálcio, à base de CaO, à base de MgO, sulfoaluminato de cálcio-óxido de cálcio e tipos compósitos de cálcio-magnésio. Devido aos diferentes componentes expansivos, o seu desempenho de expansão também varia. Os mecanismos mais amplamente aceitos de agentes expansivos incluem a teoria do crescimento cristalino, a teoria do inchaço por absorção de água e a teoria da expansão volumétrica em fase sólida.

2.1 Agentes Expansivos à Base de Sulfoaluminato de Cálcio

O efeito de expansão dos agentes expansivos à base de sulfoaluminato de cálcio é alcançado principalmente através da formação de etringita de cálcio (C3A-3CaSO4-32H2O) durante a hidratação. Os estudos existentes sugerem que o efeito combinado da pressão de crescimento cristalino e da força de inchaço por absorção de água da etringita é a causa fundamental da expansão, sendo o inchaço por absorção de água o fator dominante. Com base nesta teoria, a reação de hidratação da etringita requer uma quantidade significativa de água, limitando sua aplicação em concretos de alta resistência e baixas relações água-cimento. Além disso, o concreto contendo agentes expansivos à base de sulfoaluminato de cálcio requer um controle rigoroso da cura. A cura inadequada não só não compensa o encolhimento, mas também aumenta o risco de fissuras. Além disso, a etringita de cálcio pode se decompor em ambientes úmidos e quentes, afetando a resistência e a durabilidade. Portanto, atenção especial deve ser dada à temperatura ambiente ao usar agentes expansivos à base de sulfoaluminato de cálcio na engenharia.

2.2 Agentes Expansivos à Base de Óxido de Cálcio

O mecanismo de expansão dos agentes expansivos à base de óxido de cálcio envolve a hidratação do óxido de cálcio (CaO) para formar hidróxido de cálcio (Ca(OH)2). Este processo aumenta o volume da fase sólida e o acúmulo local de produtos de hidratação aumenta o volume dos poros, resultando na expansão volumétrica da pasta. Em comparação com os agentes expansivos à base de sulfoaluminato de cálcio, os agentes expansivos à base de óxido de cálcio requerem menos água, têm maior eficiência de expansão e são mais econômicos, tornando-os mais amplamente utilizados. No entanto, o CaO reage exotérmicamente com a água, o que é prejudicial ao controle de fissuras térmicas no concreto. Além disso, a rápida taxa de hidratação do CaO leva ao consumo de uma expansão significativa na fase plástica do concreto, tornando-o ineficaz para compensar a retração na fase posterior. O CaO também é sensível à umidade ambiental, exigindo embalagem cuidadosa para evitar a absorção de umidade, o que pode reduzir sua eficácia de expansão. Além disso, o Ca(OH)2 é solúvel sob certas pressões de água, por isso é necessário cautela ao usar agentes expansivos à base de óxido de cálcio em projetos de construção subaquática.

2.3 Agentes Expansivos à Base de Óxido de Magnésio

O efeito de expansão dos agentes expansivos à base de óxido de magnésio ocorre através da hidratação do óxido de magnésio (MgO) para formar hidróxido de magnésio (Mg(OH)2), com a mudança de volume impulsionada pela força de inchaço de absorção de água do Mg(OH)2 em nos estágios iniciais de hidratação e a pressão de crescimento cristalino do Mg(OH)2 nos estágios posteriores. Extensos estudos e aplicações de engenharia mostraram que os agentes expansivos à base de óxido de magnésio apresentam expansão retardada e um longo ciclo de expansão, o que pode compensar efetivamente a contração de temperatura durante o resfriamento e a contração de secagem. Suas propriedades mecânicas são estáveis ​​e requerem menos água para hidratação. Os agentes expansivos à base de óxido de magnésio também têm as vantagens de produtos de hidratação estáveis ​​e propriedades de expansão ajustáveis, tornando-os amplamente aplicáveis ​​em projetos de concreto de grande escala, como barragens. Na prática, fatores como o grau de resistência do concreto, as dimensões estruturais e o ambiente de construção devem ser considerados ao selecionar agentes resistentes a fissuras de concreto de alto desempenho ou agentes expansivos de óxido de magnésio com diferentes reatividades (tipo R, tipo M, tipo S) para compensar a retração do concreto, conseguindo assim o controle de fissuras em todo o ciclo e simplificando as medidas de controle de temperatura. Contudo, deve-se prestar atenção à dosagem de agentes expansivos à base de óxido de magnésio, pois quantidades excessivas podem causar expansão excessiva, levando a uma fraca estabilidade de volume.

2.4 Agentes Expansivos de Fonte Dupla de Expansão

Agentes expansivos de fonte de expansão dupla comuns no mercado incluem agentes expansivos à base de sulfoaluminato de cálcio-óxido de cálcio (como HCSA, CSA, FQY, etc.) e agentes expansivos compostos de cálcio-magnésio.

Agentes Expansivos à Base de Sulfoaluminato de Cálcio-Óxido de Cálcio: As fontes de expansão desses agentes são a etringita e o Ca(OH)2. Quando estes agentes são utilizados no concreto, o Ca(OH)2 compensa a retração inicial, enquanto a etringita compensa a retração nas fases posteriores. A expansão a partir destas fontes ocorre em diferentes etapas, conseguindo um efeito eficaz de compensação de retração. Em comparação com agentes de fonte de expansão única, os agentes expansivos à base de sulfoaluminato de cálcio e óxido de cálcio têm as vantagens de maior expansão, menor demanda de água e um período de expansão estável mais precoce. Eles são amplamente utilizados em projetos como estruturas de concreto autoimpermeabilizantes e construção contínua de estruturas superlongas.

Agentes Expansivos Compostos de Cálcio-Magnésio: Esses agentes são produzidos pela combinação de óxido de magnésio levemente queimado com óxido de cálcio, com fontes de expansão de Ca(OH)2 e Mg(OH)2. A taxa de expansão destes agentes compósitos é ajustada pela taxa de hidratação mais rápida do óxido de cálcio e pela taxa de hidratação mais lenta do óxido de magnésio. Este ajuste permite a compensação escalonada e de ciclo completo da retração do concreto. Além disso, os agentes expansivos compostos de cálcio-magnésio superam a sensibilidade à temperatura dos agentes expansivos únicos à base de óxido de cálcio, tornando-os adequados para projetos com requisitos de controle de temperatura menos rigorosos.