Carinne Dutra Damião Santos Moreira
Daniel Araújo Santos Eduardo Albuquerque Aguiar
O EFEITO DO ÍNDICE DE VAZIOS E DO COEFICIENTE DE PERMEABILIDADE NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE CONCRETOS PERMEÁVEIS
São Paulo 2021
Carinne Dutra Damião Santos Moreira
Daniel Araújo Santos Eduardo Albuquerque Aguiar
O EFEITO DO ÍNDICE DE VAZIOS E DO COEFICIENTE DE PERMEABILIDADE NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE CONCRETOS PERMEÁVEIS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado a Universidade São Judas Tadeu como requisito parcial à obtenção de título de Bacharel em Engenharia Civil
Orientador: Prof. Dr. Ramoel Serafini
SÃO PAULO 2021
FICHA DE APROVAÇÃO
Data:
Horário:
Sala:
Título:
Nome completo dos alunos RA
Aluno 1 Aluno 2 Aluno 3 Aluno 4
Observações sobre o trabalho:
Professores da Banca examinadora Assinatura
Prof. Dr. Ramoel Serafini (orientador) Prof. Dr. Dimas Alan Strauss Rambo Profa. Ma. Tathyana Moratti
Resultado:
AGRADECIMENTOS
Agradecemos a todos que de alguma forma contribuíram durante o desenvolvimento desse trabalho de conclusão de curso, tais como:
Nossos familiares pelo apoio, incentivo e por serem nossos pilares durante todo o curso e inibindo de nos desanimar ao longo da realização do trabalho.
Ao professor orientador Ramoel Serafini obrigado pela disposição, paciência, pelo compartilhamento de conhecimento e condução, assim proporcionando novos aprendizados e melhorias para o nosso trabalho.
A instituição pela estrutura fornecida fundamental para nosso processo de formação, crescimento pessoal e profissional.
Por fim, agradecemos a Deus pela força e bênçãos fornecidas. Aos nossos colegas de grupo pelo empenho para desenvolvimento e realização deste trabalho até a sua conclusão.
RESUMO
A falta de drenagem urbana atinge muitas cidades Brasileiras, causando problemas à população como o de alagamentos. Analisando as possíveis causas para tais transtornos, verificou-se o uso de concreto permeável sendo uma possibilidade para minimizar os efeitos de alagamentos causados pela chuva. Este material – formado por pasta de cimento, agregados graúdos e miúdos – possui poros em sua estrutura, o que facilita na percolação de água para o solo e, consequentemente, diminuindo o risco de alagamentos. Este trabalho tem como objetivo correlacionar as propriedades físicas e mecânicas de concretos permeáveis com base em resultados obtidos por meio de uma revisão sistemática da literatura. Foram avaliadas e correlacionadas propriedades como o coeficiente de permeabilidade, coeficiente de porosidade, resistência à compressão e resistência flexão. Os resultados demonstraram que quanto maior o índice de vazios do concreto permeável menor será a sua resistência tração, à compressão, e à tração na flexão. Além disso, com aumento do índice de vazios gera uma maior interconectividade entre os poros, o que resulta em concretos com maior permeabilidade.
Palavras-chave: Drenagem urbana; concreto permeável; estrutura; porosidade;
permeabilidade.
ABSTRACT
The lack of urban drainage affects many Brazilian cities, causing problems for the population such as flooding. Analyzing the possible causes for such disturbances, the use of permeable concrete was found to be a possibility to minimize the effects of flooding caused by rain. This material – made up of cement paste, coarse and fine aggregates – has pores in its structure, which facilitates the percolation of water into the soil and, consequently, reduces the risk of flooding. This work aims to correlate the physical and mechanical properties of permeable concretes based on results obtained through a systematic literature review. Properties such as permeability, porosity, compressive strength, and flexural strength were evaluated and correlated. The results showed that the higher the porosity of the permeable concrete, the lower it is tensile strength, compressive strength, and flexural tensile strength. Furthermore, with an increase in the porosity, it generates greater interconnectivity between the pores, which results in a concrete with higher permeability.
Keywords: Urban drainage; permeable concrete; structure; porosity; permeability.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Tipos de pavimento: (a) intertravado retangular, (b) intertravado dezesseis faces, (c) intertravado tipo raquete, (d) intertravado podotátil. ... 15 Figura 2 – Modelos de Instalação de Piso Intertravado: (a) espinha de peixe reta, (b) espinha de peixe diagonal, (c) intertravado fileira vertical, (d) intertravado fileira horizontal, (e) tramo vertical, (f) tramo horizontal ... 16 Figura 3 – Permeâmetro de carga variável ... 20 Figura 4 - Resistência à compressão (dividido por 10) e resistência à tração na flexão em função da variação do índice de vazios ... 23 Figura 5 – Efeito da energia de compactação na resistência à compressão em corpos de prova rompidos aos 7 dias ... 24 Figura 6 - Efeito da energia de compactação na relação entre a resistência à compressão e resistência à tração por compressão diametral ... 24 Figura 7 - Efeito da energia de compactação na variação da massa unitária em função do índice de vazios ... 25 Figura 8: Relação entre o módulo de elasticidade e a resistência à compressão de amostras de concreto permeável (adaptado de: GOEDE, 2009) ... 27 Figura 9: Equipamento para medida, por pulso de onda, do módulo de elasticidade mecânica ... 28 Figura 10 – Fluxograma da metodologia de busca de trabalhos ... 32 Figura 11 – Correlação entre a porosidade e as propriedades mecânicas de (a) resistência à tração e (b) resistência à compressão ... 34 Figura 12– Influência do (a) índice de vazios na resistência à tração na flexão e (b) influência do coeficiente de permeabilidade na resistência à compressão ... 35
Figura 13– Relação entre (a) índice de vazios versus coeficiente de permeabilidade e (b) influência do fator água cimento (a/c) na resistência a compressão ... 37
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Revisão sistemática da literatura ... 33
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 11
1.1 OBJETIVOS ... 13
1.2 JUSTIFICATIVA ... 13
2. FUNDAMENTAÇÃO ... 14
2.1 DRENAGEM URBANA ... 14
2.2 TIPOS DE PAVIMENTOS PERMEÁVEIS ... 15
2.3 COMPOSIÇÃO DO CONCRETO PERMEÁVEL ... 17
2.3.1 Permeabilidade do concreto ... 19
2.3.2 Resistência a compressão, tração na flexão e módulo de elasticidade ... 21
2.3.3 Módulo de Elasticidade e Coeficiente de Poisson ... 25
2.3.4 Módulo de Elasticidade Dinâmico ... 28
2.3.5 Métodos de dosagem ... 30
3. METODOLOGIA ... 31
4. ANÁLISE E DISCUSSÃO DE RESULTADOS ... 33
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 37
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 38
1. INTRODUÇÃO
Os pavimentos convencionais de concreto permeável são materiais porosos que drenam as águas superficiais permitindo a sua percolação para as demais camadas do solo. O acúmulo de água pode gerar diversos problemas sanitários, de risco a vida humana e diversas doenças, devido o contato com água contaminada.
Estudos apontam as doenças provocadas pelas enchentes, com consequências para a saúde humana, dentre elas, hepatite A, Cólera, Diarreias, Dengue, entre outras.
(CARLOS et al, 2012). Quando há um grande acúmulo de volume de água, podem ocorrer inundações, trazendo outros problemas, como prejuízos e danos materiais, por atingir veículos e/ou adentrar as casas próximas.
O concreto permeável é produzido por compostos cimentícios, agregado graúdos, água e aditivos, sendo que em alguns traços são utilizados agregados miúdos. Alguns estudos que demostram que, a quantidade excessiva de finos no agregado ocasionará o maior uso de cimento, devido a necessidade de envolver uma maior área na sua superfície (OSPINA e ERAZO, 2007). A presença de agregados miúdos na mistura gera um maior grau de empacotamento das partículas, reduzindo então a porosidade da matriz e, consequentemente, podendo afetar a vazão de água que permeia o concreto permeável. Além disso, uma menor permeabilidade pode resultar em um maior acúmulo de material residual na superfície do concreto.
Estudos referentes à capacidade mecânica e hidráulica do concreto permeável apresentaram resultados satisfatórios em relação ao seu uso em áreas de trânsito de veículos leves, quando analisados a sua durabilidade e suporte de carga (LI, 2009).
Para o dimensionamento das camadas de um pavimento com o uso de concreto
permeável, consideramos os seguintes parâmetros, volume de tráfego, o tipo de carregamento, suas características mecânicas e hidráulicas. (VIRGILIIS, 2009). O uso do concreto permeável possui benefícios econômicos e ambientais, por diminuir a necessidade de sistemas de captação de águas pluviais, por conter elevado índice de vazios, ocasionando maior permeabilidade. De acordo com Ospina e Erazo (2007), o aumento do escoamento de águas pluviais através do concreto permeável permite a alimentação do lençol freático e reduz a poluição da água e do solo.
Para isso, se faz necessário realizar pesquisas voltadas para o estudo das características do concreto permeável, como a sua resistência mecânica, porosidade, contaminação do solo, processo de entupimento, entre outros. Assim, é possível buscar alternativas mais eficientes para controle dos escoamentos, evitando ou reduzindo enchentes e alagamentos através do favorecimento do processo de infiltração (AGRA, 2001). Levando em consideração de que o concreto permeável tem uma elevada porosidade, está aumentando o interesse em estudos relacionados ao assunto, com o passar dos anos (HOLTZ, 2011).
Nesse contexto, o presente trabalho tem o objetivo de buscar uma correlação entre as propriedades físicas e mecânicas de concretos permeáveis com base em resultados obtidos por meio de uma revisão sistemática da literatura. O estudo contribui para o avanço dessa tecnologia e para o entendimento das variáveis ligadas ao concreto permeável, visando propriedades que elevem a durabilidade, resistência e eficiência do sistema implantado. Os resultados demonstraram que quanto maior o índice de vazios do concreto permeável menor será a sua resistência tração, a compressão, e a tração na flexão. Além disso, com aumento do índice de vazios gera uma maior interconectividade entre os poros, o que resulta em concretos com maior permeabilidade.
1.1 OBJETIVOS
O objetivo geral deste trabalho é correlacionar as propriedades físicas e mecânicas de concretos permeáveis com base em resultados obtidos por meio de uma revisão sistemática da literatura. Para atingir o objetivo geral, faz-se necessária a proposição dos seguintes objetivos específicos:
a. Analisar a influência da porosidade e da permeabilidade na resistência à compressão de concretos permeáveis;
b. Avaliar o efeito da porosidade e permeabilidade na resistência à flexão de concretos permeáveis;
c. Verificar a correlação entre a porosidade e o coeficiente de permeabilidade do concreto permeável.
1.2 JUSTIFICATIVA
Analisando a expansão acelerada das cidades, observa-se a ausência de um sistema de drenagem adequado, onde a água da chuva seja captada e escoada através do uso de um sistema permeável. Problemas como o de alagamentos são causados após período de fortes chuvas em locais com pouca permeabilidade. O concreto permeável é uma solução para redução do acumulo excessivo de água em superfícies, por possuir porosidade, captando a água até o subleito ou encaminhá-la para um reservatório. Este sistema se torna mais barato comparado por exemplo, a construção de piscinões (reservatórios) usados para reter e escoar o volume excessivo de água que ultrapassem a capacidade de absorção dos rios (BAPTISTA;
NASCIMENTO; BARRAUD, 2003).
A drenagem urbana tem sido projetada pelos engenheiros com o princípio de escoar a água de precipitações, em um período curto de tempo, dos pontos altos para os fundos de vale. Este tipo de solução transfere a problemática da inundação de um ponto para o outro. A ocupação das áreas ribeirinhas resulta em prejuízos evidentes (sociais, econômicos e ambientais) quando o rio inunda seu leito de cheia (POLIDORO; DA SILVA, 2009). Nesse contexto, nota-se a importância do estudo e aplicação de tecnologias voltadas à problemática da drenagem urbana, como por exemplo, o concreto permeável.
2. FUNDAMENTAÇÃO
2.1 DRENAGEM URBANA
A drenagem urbana é um sistema para escoamento da água superficial, sendo essa água não direcionada corretamente, pode causar um dos principais problemas enfrentados nas grandes cidades, que é o relacionado a enchentes, após períodos de chuvas, ocorrendo devido à falta de permeabilidade do pavimento. Para minimizar os efeitos das chuvas, o uso de concreto permeável seja utilizado como um sistema de drenagem e também como um método de acumulo de água, funcionando como um reservatório.
Com o avanço da tecnologia novos materiais puderam ser empregados para a execução de ruas e calçadas. Para a execução de um projeto hidráulico, parâmetros como a resistência e a capacidade de permeabilidade, devem ser dimensionados, para a escolha do melhor método de pavimento e materiais a ser empregado. Nesse capítulo serão tratados assuntos relativos à drenagem urbana e às tipologias de pavimentos permeáveis comumente utilizadas na construção civil.
2.2 TIPOS DE PAVIMENTOS PERMEÁVEIS
O concreto permeável pode ser utilizado em diversas configurações para compor um pavimento permeável. As variações podem acontecer quanto ao formato do bloco e sua função, visando a questão de design e paisagismo. Com o aumento na utilização dos pavimentos de concreto, foram surgindo diferentes modos disposição dos blocos para atender necessidade do ambiente. Quanto ao formato existem os pisos intertravados retangulares, piso intertravado dezesseis faces, piso intertravado raquete piso intertravado podotátil direcional e o piso intertravado vazado.
A Figura 1 apresenta os tipos de pavimento que podem ser elaborados utilizando concreto permeável.
Figura 1 – Tipos de pavimento: (a) intertravado retangular, (b) intertravado dezesseis faces, (c) intertravado tipo raquete, (d) intertravado podotátil.
FONTE: abcp, (2015)
Para o assentamento de blocos de concreto permeáveis, deve ser escolhido um modelo, com fins estéticos e suporte de cargas, que usualmente são dos tipos fileira, tramas e espinha de peixe. O modelo espinha de peixe reta, considerado com melhores níveis de desempenho e menores valores de deformações permanentes quando associado ao tráfego (SHACKEL; MULLER, 2005). O modelo fileira, já apresenta menores índices de desempenho e maiores valores de deformações associados ao tráfego, quando instalado de maneira paralela ao sentido de tráfego. A Figura 2 ilustra os modelos de instalação de piso intertravado.
Figura 2 – Modelos de Instalação de Piso Intertravado: (a) espinha de peixe reta, (b) espinha de peixe diagonal, (c) intertravado fileira vertical, (d) intertravado fileira horizontal, (e) tramo vertical, (f) tramo
horizontal
Fonte: Hallack (1998 apud MÜLLER, 2005)
2.3 COMPOSIÇÃO DO CONCRETO PERMEÁVEL
Os materiais usados em um concreto permeável têm como características ser constituído por ligantes hidráulicos formados por materiais cimentícios, agregados graúdos, agregados miúdos (em quantidade pequena), água e, quando necessário, aditivos. Os aditivos, por sua vez, são acrescentados na mistura de concreto para melhorar algumas propriedades de interesse – como a fluidez, porosidade da pasta de cimento, entre outras. Para a determinação a proporção de cada material usado na mistura do concreto, deve-se executar a dosagem e definição a partir da realização de experimentos, obtendo as quantidades adequadas de cada um dos insumos.
O cimento Portland é o insumo fundamental a ser usado no concreto permeável junto com a água. O cimento é um ligante hidráulico que advém do calcário e argila que são extraídos diretamente da natureza e passam por um processo de queima para produção do clínquer. Geralmente é usado o cimento Portland comum, porem dependendo das condições de exposição e de tipo de cura, utiliza-se cimentos especiais. Por possuir em vazios em sua composição o concreto permeável permite uma cura rápida, por permitir a circulação de ar em seus poros (OSPINA e ERAZO, 2007).
Existem diversas tipologias de cimentos disponíveis no mercado nacional. O Cimento CP-I ou Cimento Portland Comum é o cimento com maior teor de clínquer, sendo que não possui adições em sua composição, apenas o gesso usado para retardar o início de pega do cimento. O cimento CPII ou Cimento Portland Composto possui adições em sua composição, chamado de CPII-E na qual tem adição de escória de alto-forno – que possui elevado potencial hidráulico, misturado com a água endureça rapidamente. O cimento CPII-Z possui filler e adição de pozolânica em sua composição. Por dispor de um elevado teor de SiO2, possibilita a reação pozolânica
com o hidróxido de cálcio e água, assim formando C-S-H e apresenta uma menor permeabilidade da pasta e maior durabilidade. Os materiais pozolânicos podem ser encontrados em vulcões ou materiais artificiais, como a Cinza Volante, Argila Calcinada Moída, Sílica Ativa e Metacaulim, entre outros. Dessa forma, a escolha do cimento impacta diretamente nas propriedades do concreto e deve ser escolhido em função da aplicação a que se destina e das características necessárias para o material.
Já os agregados graúdos são materiais provenientes de rochas que são usados para a fabricação de produtos artificiais, apresentando granulometrias empregadas na tecnologia dos concretos que possuem dimensões de grãos maiores do que 4,8 mm e inferiores a 76 mm. De acordo com a norma ABNT NBR 7211 (2009), o agregado para concreto deve ser “composto por grãos de minerais duros, compactos, duráveis, estáveis, limpos e que não interfiram no endurecimento e hidratação do cimento e também na proteção contra corrosão da armadura”.
O agregado graúdo afeta diretamente na resistência e permeabilidade do concreto permeável, sendo o principal composto responsável pela massa unitária, módulo de elasticidade e estabilidade dimensional do concreto. Isto ocorre, pois, as propriedades do concreto são diretamente influenciadas pela densidade e a resistência dos agregados (MEHTA e MONTEIRO, 2008). Usualmente, o uso de agregados miúdos no concreto permeável pode ser dispensado. Isso ocorre pois o seu uso gera um maior grau de empacotamento das partículas, diminuindo a capacidade de escoamento de água através da pasta de cimento do concreto permeável.
O uso da água no concreto tem função de reagir quimicamente com as partículas de cimento e também gerar maior mobilidade da massa de concreto no estado fresco, assim elevando a trabalhabilidade (AITCIN,1995). A água tem grande influência na
resistência mecânica atingida pelo concreto, pois o seu excesso gera poros após a cura do concreto. Quando incorporada em pequena quantidade, gera uma mistura com menor trabalhabilidade, porém maior resistência. Com o aumento da quantidade de água, se obtém uma pasta mais trabalhável, com maior porosidade, resultando em baixa resistência. Além disso, o maior teor de água prejudica as propriedades da zona de transição interfacial agregado-pasta (AZAÑEDO, HELARD e MUÑOZ, 2007).
Entretanto, vale ressaltar que a relação água/ cimento tem um menor efeito nas propriedades do concreto permeável devido a considerável influência da quantidade de pasta e granulometria do agregado usados (HUANG et al., 2009).
Os aditivos químicos são incorporados na mistura do concreto fresco, para melhorar características da sua estrutura (FERGUSON, 2005). Os aditivos químicos são classificados de acordo com o seu uso, podem ser plastificantes, na qual reduzem a água no momento de amassamento, aumentando a trabalhabilidade e aumentando o abatimento sem perda de consistência da pasta e agregados (FERGUSSON,2005).
Já os aditivos retardadores, tem como característica e ação, retardar o tempo de pega do concreto durante o transporte, evitando a perda de água e de trabalhabilidade.
2.3.1 Permeabilidade do concreto
O concreto permeável tem como sua principal característica a taxa de infiltração, que é gerado pelo acúmulo de água contido na superfície da estrutura de concreto. Destaca-se esse tipo de pavimento a sua condutividade hidráulica, facilitando a percolação da água pelos poros contidos na estrutura do pavimento. A condutividade hidráulica do concreto permeável pode sofrer variações entre 0,21 cm/s e 0,54 cm/s em sua camada de revestimentos. Entretanto estudos realizados em campo mostram que essas variações para condutividade hidráulica tem uma
amplitude maior, podendo variar de 0,07 cm/s a 0,77 cm/s (TENNIS et al., 2004; BEAN et al., 2007).
Estudos realizados em laboratórios mostram os critérios de condutividade hidráulica. Para esse paradigma cientistas utilizam permeâmetros de carga variável em função da praticidade. Para esses ensaios quando é preparada a amostra cilíndrica, deve ter total atenção para que o volume de água não seja desperdiçado pelas laterais do corpo de prova, assim o volume percole apenas entre a face superior e inferior do corpo de prova. Na figura 3 utilizou-se um permeâmetro desenvolvido por Schaefer et al. (2006).
Figura 3 – Permeâmetro de carga variável
Fonte: SCHAEFER et al. (2006)
Para materiais produzidos com a intenção de possuírem uma alta capacidade de permeabilidade, considera-se um valor de permeabilidade alta como sendo K > 10-3 cm/s. O ensaio de carga constante é indicado em solos granulares de alta permeabilidade. Este procedimento consiste em manter a vazão constante para variação de condutividade hidráulica. Entretanto para ensaios em solos que apresentam baixa condutividade hidráulica é indicado o ensaio de carga variável que
consiste em aplicação da carga que é feita, e sua obtenção da vazão é verificada através da variação da coluna d’água em intervalo de tempos (BATEZIN, 2013).
É perceptível que um dos principais problemas que atinge a capacidade drenante da estrutura permeável é o fechamento dos poros por detritos na sua superfície (HENDERSON et al., 2009). Essa capacidade de entupimento dos poros é comum, visto que a camada superficial da estrutura pode ocorrer um certo excesso de compactação durante seu processo construtivo. Portanto faz com que esse fechamento da passagem de água seja notável a partir de uma avaliação visual, visto que a superfície esteja com acumulo de água causando a existência das poças d’água.
Para que não ocorra o fechamento da passagem de água pela estrutura, impossibilitando a infiltração da água, é necessário a manutenção preventiva, no qual é restaurada a capacidade permeável. Esta manutenção deve ser executada no período de até seis meses, pois se for executado uma limpeza de pavimento a vácuo, consegue-se recuperar cerca de 95% da sua capacidade de inicial da condutividade hidráulica (KUANG et al., 2007).
2.3.2 Resistência a compressão, tração na flexão e módulo de elasticidade As resistências mecânicas de compressão, tração na flexão, e as propriedades elásticas têm importantes funções para o comportamento mecânico do concreto permeável, sendoinfluenciadaspordiversosfatores,em especial aoíndicedevazios damistura.Porém,os resultados da literaturasão escassos no que tange o estudo do módulo de elasticidade e de resistência à tração na flexão devido a irregularidades observadas nos corpos de prova do concreto permeável, tornando-se difícil a execução dos ensaios em laboratório. Os estudos apresentados na figura 10, que
demostram o desempenho e o comportamento referentes a resistência à compressão e às condições de permeabilidade das misturas.
As misturas para a produção de concreto permeável são compostas de agregado graúdo com distribuição granulométrica uniforme, apresentando alta condutividade hidráulica como resultado (em média 0,6 cm/s) de seu elevado índice de vazios. Em contrapartida, o concreto permeável apresenta baixa resistência à compressão (entre 6,7 MPa e 17,5 MPa). Dados analisados pela EAP nos anos 90, identificaram que aproximadamente 75% dos sistemas de pavimentos porosos falharam nos Estados Unidos devido às baixas resistências dos pavimentos causadas pelo elevado índice de vazios ou por práticas inadequadas de construção (KEVERN et al., 2009).
Na fase de testes laboratoriais, os resultados obtidos foram que em algumas situações existem diferenças no valor de índice de vazios entre as partes superior e inferior da espessura do concreto permeável, sendo que o valor analisado na parte de cima é muito menor que o índice de vazios da parte de baixo. Isso pode estar ligado ao processo construtivo ou à colmatação dos vazios da superfície das placas do concreto permeável – problema comum em revestimentos que não recebem manutenção no prazo estipulado (DELLATE et al., 2009).
A Figura 4 apresenta a relação de resistência à compressão e à tração na flexão para concreto permeável. Pode-se observar que ambas as propriedades são inversamente proporcionais ao volume de vazios, ou seja, quanto maior o volume de vazios, menor será a respectiva resistência mecânica.
Figura 4 - Resistência à compressão (dividido por 10) e resistência à tração na flexão em função da variação do índice de vazios
FONTE: adaptado de DELATTE et al. (2009)
Afim de analisar efeitos da energia de compactação nas propriedades do concreto permeável, estudos foram realizados com parâmetros de analise a resistência à compressão, resistência à tração por compressão diametral, massa unitária e resistência a ciclos de gelo e degelo conforme Delatte et al. (2009). As amostras foram construídas no formato cilíndrico, aplicando-se na sua compactação no estado fresco, 25 golpes de um bastão de metal por camada, sendo 3 camadas a cada corpo de prova.
Após compactar, cada corpo de prova foi colocado em uma mesa vibratória pelo tempo de 5 segundos. Para produzir as energias de compactação diferentes, foram empregadas duas mesas vibratórias com a amplitudes de vibração de 0,000127 mm e 0,0000864 mm. As Figuras 5, 6 e 7 sumarizam os resultados obtidos por Schaefer et al. (2006).
Figura 5 – Efeito da energia de compactação na resistência à compressão em corpos de prova rompidos aos 7 dias
FONTE: adaptado de SCHAEFER et al. (2006)
Figura 6 - Efeito da energia de compactação na relação entre a resistência à compressão e resistência à tração por compressão diametral
FONTE: adaptado de SCHAEFER et al. (2006)
Figura 7 - Efeito da energia de compactação na variação da massa unitária em função do índice de vazios
FONTE: adaptado de SCHAEFER et al. (2006)
Notou-se que a partir da comparação entre os coeficientes de correlação apresentados nos gráficos, os resultados obtidos para a energia de compactação regular se mostraram melhores do que os resultados obtidos para energia de compactação baixa. Pode-se concluir, portanto, que para estes casos específicos, quanto menor a energia de compactação maior será a dispersão dos resultados. Na Figura 5 a distância entre as curvas é mais acentuada para menores valores de índice de vazios, ou seja, quanto maior o índice de vazios, menor se torna a diferença na resistência, para as duas energias de compactação.
2.3.3 Módulo de Elasticidade e Coeficiente de Poisson
Para os ensaios de concreto permeável realizados em pavimentos, Goede (2009) determinou em ensaios de compressão que o módulo de elasticidade estático e o coeficiente de Poisson sejam realizados em amostras cilíndricas de concreto
permeável com agregados de diâmetro de 12,5 mm e relação água/cimento obtendo
uma variação de 0,27 e 0,28. Nesse ensaio, os valores obtidos do módulo de elasticidade foram entre 12,1 GPa e 15,1 GPa, e esses valores geralmente são menores do que os encontrados nos concretos convencionais. Isso já é esperado, pois a diferença de índice de vazios existente entre os dois é grande, pois a
quantidade de vazios influencia no módulo de elasticidade, de forma direta.
De acordo com a American Concrete Institute (ACI) (2010), o módulo de elasticidade dos concretos convencionais deve ser calculado pela equação (1).
𝐸 = 33. 𝜌𝑐1,5. √𝑓𝑐 (1)
onde:
𝐸 = módulo de elasticidade do concreto (MPa) 𝜌𝐶= massa unitária do concreto (kg/m³)
𝑓𝑐= resistência a compressão do concreto (MPa)
Já Ghafoori e Dutta (1995) desenvolveram experimentalmente uma equação (2) similar para o concreto permeável, para determinar o módulo de elasticidade (GOEDE, 2009).
𝐸 = 32,88. 𝜌𝑐1,5. √𝑓𝑐 (2)
Percebe-se que essa segunda equação para concreto permeável, determinada por Ghafoori e Dutta (1995), obteve uma variação da constante 32,88, muito próxima dos 33 estabelecidos pela ACI (2010) para concretos convencionais. Já a equação (3)
a seguir, desenvolvida por Goede (2009), obteve um valor de constante bem acima das demais preexistentes.
𝐸 = 39,1. 𝜌𝑐1,5. √𝑓𝑐 (3)
A Figura 8 apresenta a curva em relação entre a resistência à compressão dos corpos de prova e o módulo de elasticidade, conforme experimentos laboratoriais realizados por Goede (2009). Já o coeficiente de Poisson teve valores variando de 0,14 a 0,34, sendo que a média foi 0,22. Em geral, os resultados apresentam similaridade, porém, os estudos de Goede (2009) apresentaram maiores variabilidades do que os estudos de Ghafoori e Dutta (1995), que tiveram a conclusão que o coeficiente de Poisson do concreto permeável é similar ao do convencional, com variação de 0,15 a 0,20.
Figura 8: Relação entre o módulo de elasticidade e a resistência à compressão de amostras de concreto permeável (adaptado de: GOEDE, 2009)
FONTE: os autores
2.3.4 Módulo de Elasticidade Dinâmico
Um dos ensaios não-destrutivos mais úteis que existe é o ensaio de propagação de onda ultrassônica. Este ensaio pode ser utilizado para determinar o módulo de elasticidade dinâmico e estático e também correlacionado com outros parâmetros do concreto, como: resistência à tração e compressão, estimativa de falha nas peças de concreto, grau de compactação de camadas, entre outros. A conforme Figura 9 exemplifica o ensaio de módulo de elasticidade dinâmico.
Figura 9: Equipamento para medida, por pulso de onda, do módulo de elasticidade mecânica
Para determinar o módulo de elasticidade ultrassônico, relaciona-se a velocidade de propagação das ondas longitudinais a um meio isotrópico e homogêneo com as constantes elásticas do material, segundo a equação (4).
𝑉 = √𝐸𝛾 (4)
onde:
𝑉 = velocidade de propagação da onda (m/s) 𝐸 = módulo de elasticidade (MPa)
𝛾 = massa específica (MN/m³)
Para essa ação, utiliza-se um transdutor eletroacústico que possui um transmissor de ondas vibratórias que mede o tempo exato do percurso do pulso pelo concreto. A velocidade de propagação de ondas pode ser medida conforme a equação (5).
𝑉 = √𝐿
𝑡 (5)
onde:
𝑉 = velocidade de propagação da onda (m/s)
L = distância entre os pontos de acoplamento do centro das faces dos transdutores
(m)
t = tempo decorrido desde a emissão da onda até a sua recepção (s)
Logo, a partir da velocidade de propagação da onda e tendo em conta a dimensão da amostra, o cálculo do módulo de elasticidade dinâmico pode ser determinado segundo a equação (6).
𝐸𝑑 = 𝛾. 𝑉2.(1+𝑣)⋅(1−2𝑣)
(1−𝑣) (6)
onde:
𝐸𝑑 = módulo de elasticidade mecânico;
𝑉 = velocidade longitudinal de propagação da onda (km/s);
𝛾 = massa específica do material (kg/m³);
𝑣 = coeficiente de Poisson (0,22), conforme Goede (2009).
2.3.5 Métodos de dosagem
O pavimento permeável, por ser um material de estrutura porosa, é caracterizado de diversas formas. Entre essas formas estão a fração de volume dos poros, a conectividade dos poros, a dimensão dos poros e a rugosidade da superfície dos poros. Essa classificação é de extrema importância, pois a resistência do material é diretamente influenciada pela sua porosidade. Para melhor compressão, detalha-se abaixo alguns métodos de dosagem juntamente com as características dos agregados.
Primeiramente, temos os métodos proposto pelo American Concrete Institute (ACI) – 2010, que relaciona o volume de pasta de cimento com o volume de vazios e com a resistência à compressão. Para início do experimento, necessita-se das características físicas dos agregados, relação água/cimento e porosidade esperada e, no resultado, é possível obter o volume de pasta cimentícia e a quantidade de agregados, através da quantificação do consumo de materiais. Em relação à norma, os agregados utilizados devem ter composições granulométricas entre 1,18 a 9,5mm e 2,36 a 19mm. Além disso, os aditivos plastificantes podem aumentar a resistência, mesmo que na norma não cite a forma de utilização e a quantidade.
Já o método analítico de Nguyen (2014) realiza a dosagem com a finalidade de revestir o agregado através da quantificação de pasta de cimento. Assim, busca-se evitar excessos e a falta de pasta de cimento na mistura. Em casos que há falta de pasta de cimento, pode haver prejuízo à resistência mecânica e, em casos de excesso, pode ser prejudicial à permeabilidade por gerar uma menor porosidade.
Dessa análise, é verificada a porosidade efetiva desejada (Vv), e a relação entre a espessura da camada de pasta e do diâmetro do agregado (k). Nguyen (2014) propõem um ensaio chamado “ensaio de drenagem de pasta” ou “binder drainage test – BDT”, que é importante na relação crítica água/cimento, que evita o excesso de pasta. Na validação, o experimento mostra um concreto otimizado que apresenta um coeficiente de permeabilidade de 1mm.s-1 e resistência mecânica de 28,6 MPa – que pode ser considerada uma resistência razoavelmente elevada para este tipo de material.
3. METODOLOGIA
O presente estudo buscou realizar uma revisão sistemática da literatura através da avaliação de artigos e teses, publicados entre 2019 e 2021, e sendo desconsideradas patentes e capítulos de livros. Para o presente estudo foi realizado consultas aos bancos de dados do ScienceDirect e Google Scholar, pesquisando em português e inglês e usando a palavra-chave “pervious concrete” (Concreto Permeável).
Os critérios de inclusão utilizados por esta revisão foram que os trabalhos selecionados tivessem resultados de ensaios de tração na flexão e compressão;
determinação da taxa de escoamento e teste de resistência ao entupimento. Com base nos dados coletados, buscou-se avaliar influência da permeabilidade e da porosidade nas propriedades de resistência à compressão e resistência à flexão. Além
disso, foram tecidos comentários do ponto de vista ambiental e social com base nos resultados obtidos.
A análise foi realizada através da coleta dos dados levantados na bibliografia encontrada. Do total de trabalhos selecionados, foram desconsiderados 100 artigos e teses os quais não tinham aderência completa com o tema da pesquisa ou não atendiam a todos os critérios estabelecidos. Dessa forma, foram selecionados um total de 15 trabalhos a serem avaliados. Os dados que não fornecidos pela bibliografia e apenas apresentados em gráficos foram estimados por aproximação linear. As informações foram adicionadas em tabelas e separadas por variável. Através desta organização e da análise dos artigos, foram identificados os percentuais críticos e a adequação do concreto permeável como um sistema construtivo. De forma adicional, os gráficos e linhas de tendência também foram gerados para verificar as tendências entre as variáveis avaliadas. Os resultados em termos de propriedades mecânicas foram considerados todos na idade de 28 dias apresentados pelos artigos selecionados. A Figura 10 apresenta o fluxograma da metodologia para buscar os artigos relacionados ao tema de interesse e que contribuíram para a coleta de dados.
Figura 10 – Fluxograma da metodologia de busca de trabalhos
FONTE: os autores
4. ANÁLISE E DISCUSSÃO DE RESULTADOS
A Tabela 1 apresenta os trabalhos avaliados na revisão sistemática conduzida neste trabalho.
Tabela 1 – Revisão sistemática da literatura
AUTORES VARIÁVEIS AVALIADAS LOCAL ANO
YUAN QIN et al.
Coeficiente de permeabilidade; resistência à
compressão; relação a/c. China 2021
MENEGATTI; ROCHA Resistência a compressão; teor da pasta. Brasil 2019
RAFAEL BATEZINI
Índice de vazios; resistência a compressão;
resistência na tração a flexão; coeficiente de permeabilidade.
Brasil
2009
ANTUNES; OLIVEIRA.
Índice de vazios; coeficiente de permeabilidade;
resistência a compreensão; resistência a tração na flexão.
Argentina 2018
STRZODA et al. Índice de vazios; permeabilidade. Brasil 2017 MONTEIRO. Coeficiente de permeabilidade; resistência de tração
na flexão; relação de A/C; índice de vazios. Argentina 2010 CABRAL; FIGUEIREDO. Resistência a compressão; coeficiente de
permeabilidade e tração na flexão. Brasil 2019 SCHWETZ; LORENZI Resistência a compressão, coeficiente de
permeabilidade, índice de vazios. Brasil 2015 BOTTEON Resistência a compressão; tração na flexão;
coeficiente de permeabilidade; índice de vazios. Brasil 2017 CASTRO.
Resistência a compressão; tração na flexão;
coeficiente de permeabilidade; fator a/c; resistência a tração.
Brasil 2015
SILVA Índice de vazios; resistência a compressão;
Resistência a tração na flexão. Brasil 2019
STRIEDER. Índice de vazios e resistência a compressão. Brasil 2021 GUIMARÃES; SANTOS. Resistencia a compressão; relação a/c. Brasil 1999 SILVA et al. Índice de vazios; coeficiente de permeabilidade;
resistência a compressão; relação a/c. Brasil 2019
CEZAR Relação a/c; resistência a compressão. Brasil 2019
WANG et al. Resistencia a compressão; coeficiente de
permeabilidade. China 2021
FONTE: os autores
Com base nos trabalhos acima, a Figura 11 apresenta a correlação entre a porosidade e as propriedades mecânicas de resistência à tração e resistência à compressão. Os resultados representados na Figura 11ª demonstram uma tendência de redução da resistência a tração com o aumento do índice de vazios na mistura.
Desta forma, a resistência a tração diminuirá com o aumento de permeabilidade do concreto o que é justificado pela presença de elevado números de poros, o que aumenta a área de percolação de ar e água.
Figura 11 – Correlação entre a porosidade e as propriedades mecânicas de (a) resistência à tração e (b) resistência à compressão
FONTE: os autores
O grande número de poros, aumenta a taxa de infiltração de água no interior do concreto permeável, diminuindo a capacidade do concreto de resistir a esforço de tração. Já em relação à resistência à compressão, pode-se observar um comportamento semelhante ao evidenciado para a resistência à tração – em que há a tendência de redução da resistência à compressão com o aumento do índice de vazios do concreto permeável. Nesse sentido, estudos relacionados que correlacionam a resistência a compressão, porosidade e permeabilidade mostram que quanto maior o índice de vazios menor será a resistência mecânica do material no seu estado endurecido (TENNIS et al., 2014).
A Figura 12 ilustra a influência do índice de vazios na resistência à tração na flexão e a influência do coeficiente de permeabilidade na resistência à compressão.
Na Figura 12a, pode-se observar que há uma tendência de declínio da resistência a tração na flexão em relação ao índice de vazios, de forma similar ao evidenciado anteriormente para a resistência à tração e resistência à compressão do material.
Essa influência se dá pelo fato de a dosagem do concreto permeável ser realizada considerando um teor insuficiente de pasta para preenchimento total dos vazios, além de possui proporções maiores de agregados graúdos e pouca ou nenhuma areia em sua composição granulométrica dos agregados. Dessa forma, o material é, por característica, poroso em função das suas muitas cavidades e mais permeável, gerando assim, um aumento do índice de vazios, da permeabilidade e, consequentemente, uma queda na resistência.
Figura 12– Influência do (a) índice de vazios na resistência à tração na flexão e (b) influência do coeficiente de permeabilidade na resistência à compressão
FONTE: os autores
Segundo Henderson et al. (2009), ao diminuir ou eliminar a quantidade de agregado miúdo, o índice de vazios aumenta até 30%. Por se tratar de um estudo que considerou apenas resultados de concretos permeáveis sem o emprego de agregados miúdos, pode-se inferir que os resultados utilizados tendem a valores menores de resistência e maiores de permeabilidade. Além disso, com o aumento do índice de vazios, a resistência à tração na flexão do concreto diminui no estado endurecido, como pode ser visto na Figura 12a. Esse aumento do índice de vazios incide também no aumento do coeficiente de permeabilidade, pois há formação de poros para a percolação da água. Isso influencia na resistência à compressão do concreto, fazendo que seja evidenciada uma tendência de redução da mesma (veja Fig. 12b).
A Figura 13 apresenta a relação entre o índice de vazios e o coeficiente de permeabilidade e a influência na relação a/c na resistência a compressão. Percebe- se que quanto maior o índice de vazios, maior será também o coeficiente de permeabilidade do concreto. Esta correlação é razoável, dado a maior interconectividade entre os poros gerada em concretos com maior índice de vazios.
Assim, a condutividade hidráulica de concretos permeáveis está intimamente ligada ao índice de vazios característico do material, uma vez que quanto maior a porosidade maior será a sua condutividade hidráulica (SCHAEFER et al, 2006). Além disso, resultados na literatura apontam que o uso de agregados de diâmetros maiores pode resultar em um aumento do índice de vazios, o que pode contribuir para um aumento da permeabilidade do material.
Figura 13– Relação entre (a) índice de vazios versus coeficiente de permeabilidade e (b) influência do fator água cimento (a/c) na resistência a compressão
FONTE: os autores
Na Figura 13b, podemos observar que não há uma correlação clara entre a resistência a compressão e fator a/c. Observou-se uma dispersão de resultados que culmina em uma ausência de correlação clara entre a resistência à compressão e o fator a/c. Isso ocorre, pois, a resistência mecânica do concreto permeável é mais influenciada pelo índice de vazios gerado pela falta de pasta na matriz do que de fato pela porosidade intrínseca da pasta de cimento que está ligando os agregados. Este comportamento difere do que é evidenciado em concretos convencionais (não permeáveis) em que a relação a/c está intimamente ligada à resistência à compressão (MEHTA e MONTEIRO, 2008).
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O presente estudo correlacionou as propriedades físicas e mecânicas do concreto permeável, no qual foram analisados dados de quinze artigos, extraídos resultados para a análise de comparação. Percebe-se as correlações com as propriedades de permeabilidade do concreto, índice de vazios, resistência a compressão e tração, relação a/c, por meio de uma revisão sistemática da literatura corrente.
Nos trabalhos comparativos da revisão da literatura, tivemos resultados majoritariamente semelhantes, pois os experimentos foram baseados na mesma dosagem de pasta cimentícia e dos agregados. Foram considerados concretos permeáveis do tipo normal, que possuem maior permeabilidade e agregados graúdos e menor resistência em relação a outros tipos de concreto permeável.
Os resultados demonstraram que quanto maior o índice de vazios do concreto permeável menor será a sua resistência tração, a compressão, e a tração na flexão.
Isto é evidenciado pela análise das curvas de regressão linear com base nos resultados extraídos da literatura. Além disso, com aumento do índice de vazios gera uma maior interconectividade entre os poros, o que resulta em concretos com maior permeabilidade. Nesse sentido, o aumento da permeabilidade resulta no decréscimo das resistências a tração, tração na flexão e compressão do material. Por fim, o aumento do índice de vazios causa uma maior permeabilidade do material, o que pode permite uma maior vazão de água da chuva, podendo contribuir para a redução do acumulo de água na superfície.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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