Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP Departamento de Engenharia de Construção Civil
ISSN 0103-9830
BT/PCC/270
Eliane Pereira de Lima Paulo R. L. Helene
Influência do Volume de Pasta
na Zona de Transição Pasta/Agregado
com Relação às Propriedades Mecânicas
e de Durabilidade do Concreto
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Departamento de Engenharia de Construção Civil Boletim Técnico - Série BT/PCC
Diretor: Prof. Dr. Antônio Marcos de Aguirra Massola Vice-Diretor: Prof. Dr. Vahan Agopyan
Chefe do Departamento: Prof. Dr. Alex Kenya Abiko
Suplente do Chefe do Departamento: Prof. Dr. João da Rocha Lima Junior
Conselho Editorial Prof. Dr. Alex Abiko Prof. Dr. Francisco Cardoso Prof. Dr. João da Rocha Lima Jr.
Prof. Dr. Orestes Marraccini Gonçalves Prof. Dr. Antônio Domingues de Figueiredo Prof. Dr. Cheng Liang Yee
Coordenador Técnico Prof. Dr. Alex Abiko
O Boletim Técnico é uma publicação da Escola Politécnica da USP/Departamento de Engenharia de Construção Civil, fruto de pesquisas realizadas por docentes e pesquisadores desta Universidade.
Este texto faz parte da dissertação de mestrado, de mesmo título, que se encontra à disposição com os autores ou na biblioteca da Engenharia Civil.
FICHA CATALOGRÁFICA
Lima, Eliane Pereira de
Influência do volume de pasta na zona de transição pas- ta/agregado com relação às propriedades mecânicas e de du- rabilidade do concreto / E.P. de Lima, P.R.L. Helene. -- São Paulo : EPUSP, 2001.
13p. – (Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP, De- partamento de Engenharia de Construção Civil, BT/PCC/270) 1. Concreto - Durabilidade I. Helene, Paulo Roberto do Lago II. Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. Depar- tamento de Engenharia de Construção Civil III. Título IV. Série ISSN 0103-9830 CDU 693.5
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A entrada no concreto de agentes agressivos presentes no meio, dá-se por diversos mecanismos que dependem das características do concreto, entre elas, principalmente, da distribuição dos poros, do volume de poros e da sua interconexão.
Alguns estudos teóricos e modelos computacionais concluem que a região de interface pasta/agregado pode interconectar-se sempre que os volumes de pasta sejam pequenos, abaixo de 50%.
O objetivo principal deste trabalho é avaliar a influência do volume de pasta no concreto, em relação às suas propriedades mecânicas e de durabilidade. Estas propriedades compreenderam a resistência à compressão axial, a penetração de água sob pressão, a capilaridade, a penetração de cloretos, a porosidade pelo método de intrusão de mercúrio e a análise de imagens obtidas por meio de microscópio eletrônico de varredura.
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Em muitos casos, estruturas de concreto projetadas para vida útil de 40 a 50 anos, nem sempre atendem essa duração. Mehta cita que, em 1970, foram levantados nos Estados Unidos, alguns problemas de deterioração em estruturas de pontes com menos de 20 anos.
Ainda nos últimos anos, tem crescido o número de estruturas de concreto armado com manifestações patológicas, principalmente com problemas de corrosão de armaduras, como resultado do envelhecimento precoce das construções existentes (HELENE, 1998).
1 Engenheiro da COPEL mestranda do Departamento de Engenharia de Construção Civil da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.
A maioria dos processos de deterioração que afetam estruturas de concreto, envolvem o transporte de agentes agressivos no interior dos mesmos (BUENFELD e OKUNDI, 1998). O transporte de fluidos no concreto pode atuar pelos fenômenos de capilaridade, difusão ou permeabilidade, sendo que a passagem pode ser através da pasta de cimento, do agregado, da interface ou zona de transição pasta/agregado, de fissuras, poros e outros defeitos existentes no concreto (COUTINHO e GONÇALVES, 1994).
O estudo da zona de transição pasta/agregado teve início a partir do trabalho de FARRAN, em 1956. Com isso passou-se a estudar modelos geométricos que correlacionassem a porosidade com as propriedades de transporte, e alguns modelos estatísticos.
A partir de estudos numéricos surgiram modelos computacionais que estimam a influência do teor de agregado nas propriedades da zona de transição pasta/agregado (HOUST HW DO., 1992, SNYDER HWDO., 1992). Com base nesses estudo, concretos com volumes de pasta abaixo de 50%, a zona de transição pode interconectar-se.
O objetivo principal deste trabalho é avaliar a influência do volume de pasta no concreto, em relação às suas propriedades mecânicas e de durabilidade. Estas propriedades compreenderam a resistência à compressão axial, a penetração de água sob pressão, a capilaridade, a penetração de cloretos, a porosidade pelo método de intrusão de mercúrio e a análise de imagens obtidas por meio de microscópio eletrônico de varredura.
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Embora a maioria dos agregados possuem porosidade menor do que a pasta, a penetrabilidade de líquidos e gases depende da distribuição dos poros e da sua conectividade. Se o agregado é mais poroso do que a pasta, as partículas de agregado podem resultar um caminho mais curto através do concreto (BUENFELD e OKUNDI, 1998). Caso contrário, os agregados atuam como obstáculo ao transporte, aumentando a tortuosidade do caminho e reduzindo a seção transversal efetiva (BUENFELD e OKUNDI, 1998, BENTUR, 1998, FAGERLUND, 1982).
O tipo de agregado também contribui para as características da zona de transição. O grau de orientação do hidróxido de cálcio na região interfacial é afetado pela natureza mineralógica do agregado usado (GRANDET e OLLIVIER, 1980). Dependendo da porosidade e umidade da superfície do agregado, a zona interfacial pode ser mais densa e homogênea. Isso explica-se pela
penetração da pasta nos poros do agregado, a qual, após hidratação, deve promover uma boa ligação mecânica entre a pasta e o agregado (ZHANG e GJØRV, 1989 e 1990).
Um maior número de superfície de fratura favorece um comportamento mais dúctil da pasta (FRIGIONE HWDO., 1986). A rugosidade superficial tem mais influência no início da propagação das fissuras do que na resistência final (JONES e KAPLAN, 1957, PERRY e GILLOTT, 1977).
A influência do tipo de agregado graúdo sobre a resistência varia em grandeza e depende da relação água/cimento da mistura (NEVILLE, 1997).
Maior teor de agregado resultaria menor retração e menor exsudação no concreto e, consequentemente, menor dano à aderência entre o agregado e a pasta (POPOVICS, 1990).
O aumento da relação água/cimento, diminui a influência do agregado, possivelmente devido a que a resistência da pasta de cimento hidratado se torne um fator predominante (KUCZYNSKI, 1958).
A absorção capilar aumenta com uma elevada percentagem de finos, inertes, sem atividade pozolânica (COUTINHO, 1994).
A presença de agregado graúdo reduz a penetração de íons cloreto pois os agregados bloqueiam os poros impedindo o movimento dos íons, aumentam a tortuosidade do sistema de poro e, reduzem o volume de pasta que em geral é mais permeável que o agregado (SAMAHA e HOVER, 1992).
Acredita-se que ocorrem tensões de tração na pasta ao redor do agregado. Esta tensão é decorrente da retração durante hidratação e secagem, causando fissuras quando resulta em tensão superior à admissível, dependendo do tamanho do agregado. Agregados com dimensão máxima superior a 8mm estão mais propensos ao fenômeno da separação pasta/agregado (REINHARDT, 1992).
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Pastas com altos teores de água tendem a desenvolver canais verticais durante o período de exsudação. Esses canais provavelmente não são completamente preenchidos com os produtos de hidratação (POWERS HWDO., 1954).
Para relação água/cimento constante, concretos com baixos teores de cimento tem menor retração por secagem e menor exsudação (BERKE HWDO., 1996, POPOVICS, 1990).
O aumento da relação água/cimento, causado pela exsudação da água, provocará o descolamento entre a pasta e os agregados e o aumento da porosidade da pasta nessa região. O principal fator
que influi na exsudação é, além da dosagem de água, o teor de finos para a reterem (COUTINHO, 1997). A espessura da zona de transição é maior quanto maior for a relação água/
cimento (OLLIVIER, 1998, ZHANG e GJØRV, 1989).
O teor de sulfatos (SO3) do cimento tem influência significativa na resistência à compressão, pois altera o volume de vazios (SERSALE e CIOFFI, 1991).
A relação água/cimento afeta não somente a porosidade total, mas também a natureza dos produtos hidratados; com relação água/cimento baixa parece que os produtos hidratados tem maior capacidade de ligação (MINDESS, 1985).
A absorção de água por capilaridade em concreto aumenta, com relação água/cimento constante e sem utilização de aditivo, à medida que o teor de cimento aumenta, porém, a velocidade da frente de penetração não é alterada (BUENFELD e OKUNDI, 1998).
Embora a penetrabilidade aos cloretos seja controlada diretamente pela relação água/cimento e pelo grau de hidratação, a capacidade de fixação do cloreto é função do tipo e quantidade de aglomerante. O teor de cloreto livre à partir do qual dá-se o início do processo de corrosão independe do teor de C3A, porém, esse influencia no teor de cloreto total. Todavia, para um teor de cloreto total constante, o teor de cloreto livre depende dos teores de C3A e álcali do cimento, do teor de sulfatos presentes no cimento hidratado e da temperatura de exposição (DHIR HWDO., 1996). O tempo de iniciação da corrosão em barras de aço inseridas em argamassas expostas em ambientes com cloretos, aumenta com o aumento do teor de C3A do cimento (HUSSAIN HWDO., 1996).
Cimentos com alto teor de álcali geralmente produz C-S-H mais gelatinoso e mais propenso à retração por secagem. A retração por secagem deve romper algumas ligações entre os poros de gel e o gel, aumentando a permeabilidade (POWERS HWDO., 1954, MEHTA, 1997).
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Melhorando a resistência de ligação da interface, aumenta a resistência à tração e, em menor escala, a resistência à compressão do concreto (HSU HW DO., 1963, CHEN e WANG, 1988, FAGERLUND, 1996, PERRY e GILLOTT, 1977, SCHORN, 1992).
A resistência última do concreto não é fortemente dependente da resistência de ligação. Todavia, aumentando a resistência de ligação, aumenta o nível de tensão no qual as microfissuras iniciam sua extensão (HSU HWDO., 1963, PERRY e GILLOTT, 1977).
As diferenças inevitáveis das propriedades mecânicas do agregado e da pasta, em conjunto, com retração e variações térmicas, resultam fissuras muito finas na interface, mesmo antes de aplicação do carregamento (HSU HW DO., 1963, FRIGIONE HW DO, 1986). A quantidade de microfissuras depende de inúmeros parâmetros, incluindo a distribuição granulométrica e tamanho do agregado, teor de cimento, relação água/cimento, grau de adensamento do concreto fresco, condições de cura e umidade ambiente (MEHTA e MONTEIRO, 1994).
As fissuras presentes na matriz argamassa tem maior participação no aumento da razão de transporte de massa no concreto, em relação às fissuras da zona de transição. Testes de penetrabilidade à cloreto em amostras de concreto mostram que as fissuras presentes na zona de interface pasta/agregado tem pouca influência (SAMAHA e HOVER, 1992).
Também, dependendo da mineralogia e planos de clivagem do agregado, tamanho dos cristais e concentração dos produtos de hidratação, a zona de transição pode não ser a região mais fraca (MONTEIRO, 1985).
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A areia e brita utilizados foram submetidos aos ensaios previstos na Norma NBR 7211. Os resultados obtidos estão apresentados na Tabela 1. A brita foi peneirada para reduzir o teor de material pulverulento. A areia foi substituída em 50% (em massa) por pó calcário.
O cimento utilizado foi o CPV – ARI PLUS, o qual foi submetido a ensaios de acordo com as normas brasileiras vigentes, visando determinar algumas de suas propriedades físicas. Os resultados obtidos constam da Tabela 2.
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O estudo foi realizado em concretos com volumes de pasta variados de 30%, 35%, 55%, 60% e relações água/cimento de 0,5 e 0,7, com as características apresentadas na Tabela 3.
Os concretos foram submetidos a ensaios para determinação da consistência pelo abatimento do tronco de cone, teor de ar e massa específica.
Para a realização dos ensaios foram moldados corpos-de-prova conforme Tabela 4.
As amostras moldadas foram cobertas por um filme plástico permanecendo na sala de dosagem por um período de 24 horas. Após este período, as amostras foram desmoldadas e levadas para a câmara úmida.
Todas as propriedades foram avaliadas tomando como referência a idade de 28 dias.
A resistência à compressão foi determinada conforme recomendações da NBR 5739/94. O capeamento foi feito com enxofre. A penetração de água sob pressão foi realizada de acordo com o procedimento descrito no método NBR 10787/94. A absorção de água por capilaridade foi realizada conforme a Norma NBR 9779/95. O ensaio de penetração de íons cloreto foi baseado nas Normas AASHTO T277-83 e ASTM C1202-91. A determinação da porosidade seguiu o procedimento do LME – Laboratório de Microestrutura do Departamento de Engenharia de Construção Civil da Poli. As imagens de microscopia eletrônica de varredura foram obtidas segundo metodologia utilizada pela Associação Brasileira de Cimento Portland - ABCP.
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A Tabela 5 resume alguns resultados obtidos nos concretos frescos.
A Tabela 6 apresenta os resultados dos ensaios nos concretos endurecidos.
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Os resultados (Tabela 6, Figura 1) mostram que a relação água/cimento é o fator mais importante para a resistência à compressão. Porém, a resistência de ligação da interface pasta/agregado não parece ter grande influência, pois o concreto 5T55 (com 45% de volume de agregado) apresentou resistência próxima ao 5T30 (com 70% de volume de agregado). Também o concreto 7T35 (com 65% de volume de agregado) apresentou resistência superior ao 7T60 (de apenas 40% de volume de agregado).
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Analisando-se os resultados apresentados na Tabela 6 e Figura 2, constata-se que os concretos com maior volume de pasta apresentam maior profundidade de penetração. Isso pode ser um indicativo de que a zona de transição pasta/agregado não tem influência significativa na permeabilidade do concreto.
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Também na absorção de água por capilaridade, os resultados (Tabela 6, Figura 3) demonstram que quanto maior o volume de pasta no concreto, maior a absorção de água por capilaridade.
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Com base nos resultados (Tabela 6, Figura 4), observa-se que além da relação água/cimento ser o fator determinante para a penetração de íons cloreto no concreto, o volume relativo de pasta por m3 foi determinante no aumento da carga passante. Todos os concretos de relação a/c igual a 0,7 e volume relativo de pasta superior a 50%, foram classificados como altamente penetráveis por cloretos, ou seja, de baixa resistência `a penetração de cloretos. Assim, o volume de pasta parece ter também elevada influência no comportamento do concreto.
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Da Tabela 6 e da Figura 5, os resultados obtidos no ensaio com o porosímetro de mercúrio mostram que o volume de mercúrio intrudido está relacionado com o volume de pasta da amostra. Quanto maior o volume de pasta, maior o volume de mercúrio intrudido.
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De uma maneira geral, ficou evidente que a zona de transição pasta/agregado não tem grande influência nas propriedades do concreto.
No presente estudo observou-se que quanto maior o volume de pasta no concreto, maior a porosidade resultante. Assim sendo, é bem provável que a pasta apresente maior grau de conectividade entre os vazios presentes. Acredita-se que o agregado até tem efeito benéfico às propriedades do concreto.
5()(5Ç1&,$6%,%/,2*5È),&$6
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7$%(/$ – Caracterização dos agregados Diâmetro
máximo
Módulo de finura
Teor de material pulverulento
Teor de argila em
torrões
Impureza orgânica
Massa específica
Massa unitária
Absorção Material
(mm) --- (%) (%) --- (g/cm3) (g/cm3) (%)
Areia 4,8 2,4 1,6 0,1 Mais clara
que a solução padrão
2,63 1,46 ---
Brita 1 19,0 6,90 1,9 --- --- 2,64 1,45 0,7
7$%(/$ – Ensaios físicos do cimento
7$%(/$ – Características dos traços Traços em massa seca
Volume de pasta correspondente em
Denominação do traço cimento : areia: brita a/c relação ao volume
total de concreto
1 : 2 : 3 0,5 30% 5T30
1 : 2 : 3 0,7 35% 7T35
1 : 0,8 : 1 0,5 55% 5T55
1 : 0,8 : 1 0,7 60% 7T60
Finura na peneira ABNT 75 micrometros (200) (%) 0,1 Finura pela permeabilidade ao ar (cm2/g) 4460
Massa específica (g/cm3) 3,10
Ensaios físicos do material em pó
7$%(/$ – Moldagem dos corpos-de-prova
Ensaios Moldes
Resistência à compressão ∅ 150 x 300 mm
Penetração de água sob pressão
250 x 250 x 125 mm
Capilaridade ∅ 100 x 200 mm
Penetração de cloretos ∅ 100 x 50 mm retirados da parte central de cp’s 100 x 200 mm Porosidade ë 20 x 20 x 10 mm retirados da parte central de cp’s 100 x 200
mm
MEV retirados das amostras ensaiadas na resistência à compressão 7$%(/$ – Resultados obtidos no concreto fresco
Traços Abatimento (mm) Ar aprisionado (%) Massa específica (kg/m3)
5T30 0 0,6 2411
7T35 130 0,5 2329
5T55 200 0,3 2235
7T60 ≥ 250 0,2 2124
7$%(/$ – Resultados obtidos no concreto endurecido Traços
Resistência à Compressão
Penetração de Água sob
pressão
Absorção de água por capilaridade
Penetração de íons cloreto
Porosidade
(MPa) (mm) 72 h
(g/cm2) (mm) (C) (mL/g)
5T30 54,6 42 0,5799 63 1.669 0,0635*
7T35 34,8 46 1,6467 78 4.358 0,0662**
5T55 55,0 49 2,5138 124 4.898 0,0821†
7T60 29,0 106 3,4594 146 8.876 0,0668††
* 28,6% de volume de pasta; ** 33,6% de volume de pasta; †53,6 % de volume de pasta;
††32,5% de volume de pasta.
0 10 20 30 40 50 60
0,5 0,5 0,7 0,7
5HODomRiJXDFLPHQWR 5HVLVWrQFLDj FRPSUHVVmR03D
5T30 30%
5T55 55%
7T35 35%
7T60 60%
FIGURA 1 - Comparativo da resistência à compressão em função do volume de pasta e da relação a/c.
0 20 40 60 80 100 120
0,5 0,7
5HODomRDF 3URIXQGLGDGHPpGLD GHSHQHWUDomRPP
Volume de pasta inferior a 50%
Volume de pasta superior a 50%
30% 35%
55%
60%
FIGURA 2 – Profundidade de penetração de água em função de a/c e do volume relativo de pasta por m3.
0 50 100 150 200
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
5HODomRDF
$OWXUDPpGLDGD DVFHQVmRPi[LPD DSyVKPP
Volume de pasta superior a 50%
Volume de pasta inferior a 50%
55%
60%
30%
35%
FIGURA 3 – Altura da ascensão capilar máxima após 72 h de ensaio em função da relação a/c e do volume de pasta por m3.
0 2000 4000 6000 8000 10000
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
5HODomRDF
&DUJDWRWDOPpGLD SDVVDQWH&RXORPEV
Volume de pasta superior a 50%
Volume de pasta inferior a 50%
55%
60%
30%
35%
FIGURA 4 – Carga total passante de ions cloreto nos concretos em função da relação a/c e do volume relativo de pasta.
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10
28,6 33,6 53,6 32,5
9ROXPHGHSDVWDQDDPRVWUD 9ROXPHGHPHUF~ULR POJ
FIGURA 5 – Efeito do volume de pasta na porosidade do concreto.
BOLETINS TÉCNICOS PUBLICADOS
BT/PCC/251 Emprego de Dispositivos Automáticos em Aparelhos Sanitários para Uso Racional da Água.
CYNTHIA DO CARMO ARANHA FREIRE, RACINE TADEU ARAÚJO PRADO. 14p.
BT/PCC/252 Qualidade no Projeto e na Execução de Alvenaria Estrutural e de Alvenarias de Vedação em Edifícios. ERCIO THOMAZ, , PAULO ROBERTO DO LAGO HELENE. 31 p.
BT/PCC/253 Avaliação de Áreas Urbanas através dos Usuários: O Caso do Centro de Guaratiguetá.
MAURICIO MONTEIRO VIEIRA, WITOLD ZMITROWICZ. 20p.
BT/PCC/254 O Conceito de Tempo Útil das Pastas de Gesso. RUBIANE PAZ DO NASCIMENTO ANTUNES, VANDERLEY MOACYR JOHN.15p.
BT/PCC/255 Impactos Ambientais Causados por Resíduos Sólidos Urbanos: O Caso de Maringá/PR.
GENEROSO DE ANGELIS NETO, WITOLD ZMITROWICZ. 24p.
BT/PCC/256 Produção e Obtenção de Barras de Fios de Aço para Concreto Armado. OSWALDO CASCUDO MATOS, PAULO ROBERTO DO LAGO HELENE. 16p.
BT/PCC/257 Influência do Tipo de Cal Hidratada na Reologia de Pastas. FABÍOLA RAGO, MARIA ALBA CINCOTTO. 25p.
BT/PCC/258 Metodologia para Análises Ergonométricas de Projetos Arquitetônicos com Base na Teoria dos Sistemas Nebulosos. ANA LÚCIA NOGUEIRA DE CAMARGO HARRIS, CHENG LIANG-YEE. 33p.
BT/PCC/259 Estudo da Água do Poro de Pastas de Cimento de Escória pelo Método da Água de Equilíbrio. CLÁUDIA T. A. OLIVEIRA, VAHAN AGOPYAN. 12p.
BT/PCC/260 Concreto com Fibras de Aço. ANTÔNIO DOMINGUES DE FIGUEIREDO. 68p.
BT/PCC/261 Alocação de Espaços em Arquitetura: Uma nova metodologia utilizando lógica nebulosa e algoritmos genéticos. MARIO MASAGÃO ANDREOLI, DANTE FRANCISCO VICTÓRIO GUELPA. 24p.
BT/PCC/262 Contribuição ao Estudo da Resistência à Corrosão de Armaduras de Aço Inoxidável.
LEONEL TULA, PAULO ROBERTO DO LAGO HELENE. 20p.
BT/PCC/263 Ferramentas e Diretrizes para a Gestão da Logística no Processo de Produção de Edifícios.
FRED BORGES DA SILVA, FRANCISCO FERREIRA CARDOSO. 25p.
BT/PCC/264 Indicadores de Salubridade Ambiental em Favelas Localizadas em Áreas de Proteção aos Mananciais: O caso da favela Jardim Floresta. MARCO ANTONIO PLÁCIDO DE ALMEIDA, ALEX KENYA ABIKO. 28p.
BT/PCC/265 Difusão de Cloretos e a Influência do Grau de Saturação do Concreto: Ensaio em laboratório e medição de obra em uso. ANDRÉ T. C. GUIMARÃES, PAULO ROBERTO DO LAGO HELENE. 19p.
BT/PCC/266 Análise Econômica de Empreendimentos de Longo Horizonte de Maturação: Taxa de Retorno Compensada. JOÃO DA ROCHA LIMA JR. 15p.
BT/PCC/267 Arbitragem de Valor de Hotéis. JOÃO DA ROCHA LIMA JR. 55p.
BT/PCC/268 Diretrizes para Produção de Contrapisos Estanques. EDUARDO HENRIQUE PINHEIRO DE GODOY, MERCIA M. S. BOTTURA DE BARROS. 36p.
BT/PCC/269 Produtividade da mão-de-obra na execução de alvenaria: detecção e quantificação de fatores influenciadores. LUÍS OTÁVIO COCITO DE ARAÚJO, UBIRACI ESPINELLI LEMES DE SOUZA. 24p
BT/PCC/270 Influência do volume de pasta na zona de transição pasta/agregado com relação às propriedades mecânicas e de durabilidade do concreto. ELIANE PEREIRA DE LIMA, PAULO R. L. HELENE. 13p.
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