César Schiefler Sombrio
EFEITO DO ADITIVO CRISTALIZANTE NA REDE CAPILAR EM
CONCRETOS USINADOS
Florianópolis 2019
César Schiefler Sombrio
EFEITO DO ADITIVO CRISTALIZANTE NA REDE CAPILAR EM CONCRETOS USINADOS
Trabalho de Conclusão do Curso de Graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a obtenção do Título de Bacharel em Engenharia Civil.
Orientador: Prof.ª Dr.ª Janaíde Cavalcante Rocha
Florianópolis 2019
AGRADECIMENTOS
Aos meus pais, Júlio e Kátia, e ao meu irmão, Juliano, por todo o apoio fornecido para meu desenvolvimento, tanto pessoal quanto profissional. Agradeço pela presença diária em minha vida, me incentivando e auxiliando em todas as minhas decisões. Vocês são meus maiores exemplos.
A todos os meus familiares, pelos valores da honestidade e do respeito, e por estarem sempre me apoiando e querendo o meu melhor.
À minha namorada Keyla, por ser essa pessoa especial e tanto me escutar e aconselhar durante esses últimos semestres, sendo paciente e me motivando diariamente para a realização desse trabalho.
À todas as amizades feitas durante a graduação, tornando esse período ainda mais especial. Bobato, Carol e Padilha, obrigado por todos os momentos de estudos e diversão que ficarão guardados com muito carinho.
Aos meus amigos e amigas que conviveram comigo em todos esses anos, vocês são parte fundamental dessa conquista. Um agradecimento especial aos amigos Fábio, Felipe e Gustavo, por todas as conversas e conselhos neste último ano.
À minha orientadora e professora Janaíde, pela paciência e por acreditar na minha pesquisa, contribuindo com todas as recomendações e experiências essenciais para a conclusão desse ciclo.
Ao engenheiro civil Henrique, por todos os ensinamentos e cobranças nesses últimos anos, me fornecendo toda a base para o meu aprendizado prático. Um agradecimento especial ao amigo Ramon, por toda a convivência diária e conselhos dados, e também à toda equipe de trabalho pelo suporte e amizade em meu estágio.
Aos professores e servidores do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina, por permitir esse acontecimento, através de muita dedicação e conhecimentos transmitidos.
Aos laboratoristas Renato e Luis, e à bolsista Clara, do laboratório de materiais de construção civil (LMCC), por todo apoio nos últimos meses. Agradeço também aos membros do grupo de pesquisa em ensaios não destrutivos (GPEND), em especial à Hella e ao Isaque, pela dedicação e auxílio com o ensaio de UPV.
Ao engenheiro civil Cleiton, por colaborar diretamente com a elaboração da pesquisa, e ao amigo Renan, em nome de todos da equipe, pela atenção e pelo empenho que foram determinantes nesse processo.
Aos membros da banca, por dedicar um momento para contribuir com o aprimoramento deste trabalho.
Por fim, agradeço a todos os outros que contribuíram para a realização desse momento, de forma direta e indireta, sem vocês o caminho seria mais longo e complicado. Meu muito obrigado!
God, give me grace to accept with serenity the things that cannot be changed, Courage to change the things which should be changed, and the Wisdom to distinguish the one from the other.
RESUMO
A degradação das estruturas de concreto é um dos temas de maior importância no contexto da engenharia civil atual. Prevenir a entrada de substâncias agressivas transportadas pela água para dentro dessas estruturas pode representar um aumento significativo de durabilidade. Nesse contexto, a impermeabilização por cristalização integral busca reduzir a entrada de água dentro do concreto através da adição de um aditivo cristalizante durante a produção do concreto. O objetivo desta pesquisa é analisar o desempenho desse aditivo na rede capilar em dois tipos de concretos usinados. Para isso foram moldadas amostras de diferentes relações água/cimento (0,70 e 0,45), representando tanto um concreto de qualidade inferior e alto índice de vazios quanto de elevada qualidade e baixa permeabilidade. Realizaram-se os ensaios de absorção por capilaridade (NBR 9779) e absorção por imersão total (NBR 9778) para analisar como o aditivo cristalizante age no interior do concreto, e também o ensaio de resistência à compressão (NBR 5739) para verificar se a cristalização gera alterações significativas na parte mecânica do material. Também foram analisadas as velocidades de pulso ultrassônico obtidas através do ensaio de ultrassom (NBR 8802), na tentativa de verificação da cristalização, além de possíveis mudanças no módulo de elasticidade dinâmico causadas por esse fenômeno. Além desses ensaios, realizou-se a medição das deformações lineares, baseada na norma NBR 15261, de ambos os concretos, em ambientes de alta e baixa umidade. Os resultados mostram que o aditivo cristalizante é capaz de reduzir a absorção de água por capilaridade do concreto, mas que é necessário um estudo prévio para otimizar sua utilização na prática. Em relação ao ensaio de absorção total, a cristalização não influenciou na absorção e no índice de vazios das amostras analisadas. Quanto às propriedades mecânicas, verifica-se com os resultados obtidos que o aditivo cristalizante não tem a capacidade de aumentar a resistência à compressão do concreto nem de alterar o módulo de elasticidade dinâmico. Por último, foi apresentada a influência do ambiente nas deformações das estruturas de concreto, na qual as amostras armazenadas em local de alta umidade passaram pelo processo de expansão linear, enquanto os corpos de prova posicionados em ambiente de baixa umidade sofreram com o efeito da retração linear.
Palavras-chave: Concreto. Aditivo cristalizante. Absorção por capilaridade. Módulo de elasticidade dinâmico. Variação dimensional.
ABSTRACT
The degradation of concrete structures is one of the most important themes in the context of current civil engineering. Prevent the entry of aggressive substances transported by water into these structures can represent a significant increase in durability. In this situation, integral crystalline waterproofing is intented to reduce the permeability of the concrete by the addition of a crystalline admixture. The aim of this research is to analyze the performance of this material in the capillary network in two types of concretes. For this purpose, two diferente mixtures were molded, with water / cement ratio equal to 0,70 and 0,45, representing as much a high void index and low quality concrete as high quality and low permeability concrete. The capillary water absorption (NBR 9779) and total immersion Absorption (NBR 9778) tests were performed to analyze how the crystalline admixture acts within the concrete, as well as the compressive strength test (NBR 5739) to verify if the integral crystallization generates significant changes in the mechanical properties of the material. Ultrassonic pulse velocity obtained through the UPV test (NBR 8802) were also analyzed in na attempt to verify the integral crystallization and possible changes in the dynamic modulus of elasticity. In addition to these tests, the linear deformation measurement of both concretes were carried out in high and low humidity environments. As a result, it was observed that the crystalline admixture is effective to reduce the water capillarity absorption of the concrete, but a previous study is necessary to optimize its use in practice. Regarding the total absorption test, the integral crystallization did not influence the absorption by total immersion and the voids index of the samples analyzed. Concerning the mechanical properties, it was found that the crystalline admixture does not have the capacity to increase the compressive strenght of the concrete nor to change the dynamic modulus of elasticity. Finally, the influence of the environment in the deformations of the concrete structures was presented, in which the specimen stored in a high humidity local went through the linear expansion process, while the specimen placed in a low humidity environment suffered with the shrinkage effects.
Keywords: Concrete. Crystalline waterproofing admix. Capillary absorption. Dynamic elastic modulus. Dimensional variations.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Material sólido: (a) Impermeável; (b) Permeável ... 29
Figura 2 - Principais fatores envolvidos nos fenômenos de transporte no interior dos materiais porosos ... 30
Figura 3 – Mecanismo de absorção de um material hidrófilo ... 32
Figura 4 - Efeito da relação água/cimento na porosidade do concreto ... 33
Figura 5 - Relação entre sua resistência à compressão e relação água/cimento ... 34
Figura 6 - Funcionamento das reações de cristalização em uma rede capilar ... 36
Figura 7 - Metodologia do programa experimental da pesquisa desenvolvida ... 43
Figura 8 - Curva granulométrica do agregado miúdo artificial e natural ... 46
Figura 9 - Curvas granulométricas das misturas dos agregados graúdos ... 47
Figura 10 - Curvas granulométricas dos agregados graúdos ... 49
Figura 11 - Curva granulométrica da mistura dos agregados graúdos utilizada ... 50
Figura 12 - Aspecto do concreto na betoneira e ensaio de abatimento de tronco de cone ... 53
Figura 13 - Preparação das formas cilíndricas e prismáticas... 54
Figura 14 - Processo de pós-moldagem dos corpos de prova... 55
Figura 15 - Amostras em processo de cura úmida com imersão parcial ... 56
Figura 16 - Ciclo de cura úmida utilizado em grande parte das amostras da pesquisa ... 57
Figura 17 - Planejamento dos ensaios realizados ... 58
Figura 18 - Procedimentos do ensaio de resistência à compressão ... 60
Figura 19 - Superfície de duas amostras de concreto de relação a/c de 0,70 e 0,45... 61
Figura 20 - Procedimentos do ensaio de absorção por capilaridade... 62
Figura 21 - Procedimentos do ensaio de absorção por imersão. ... 64
Figura 22 - Realização do ensaio de UPV através do arranjo de transmissão longitudinal recomendado pela NBR 8802 (ABNT, 2019) ... 66
Figura 23 - Pórtico e relógio medidor utilizados para a realização da medição da variação dimensional, conforme apresentado na NBR 15261 (ABNT, 2005) ... 69
Figura 24 - Ambientes de armazenamento das amostras ... 69
Figura 25 - Resultados médios de resistência à compressão e desvio padrão dos traços ... 72
Figura 26 - Representação dos valores de absorção por capilaridade para o grupo 01 ... 75
Figura 27 - Representação dos valores de absorção por capilaridade para o grupo 02 ... 75
Figura 29 - Aspecto da ascensão de água por capilaridade em um corpo de prova após
rompimento por compressão diametral ... 76
Figura 30 - Resultados de absorção por imersão nos concretos analisados do grupo 04 ... 81
Figura 31 - Resultados de absorção por imersão nos concretos analisados do grupo 05 ... 82
Figura 32 - Absorção de água e índice de vazios das amostras do grupo 04 e 05 para a segunda etapa ... 83
Figura 33 - Comparação dos valores de módulo de elasticidade dinâmico a partir da velocidade de propagação de onda ultrassônica entre os dados das amostras da pesquisa e da norma britânica BS 1881-203 (1986) ... 90
Figura 34 - Resultados da variação dimensional nas amostras do grupo 08 armazenadas em ambiente de baixa umidade relativa ... 93
Figura 35 - Resultados da variação dimensional nas amostras do grupo 09 armazenadas em ambiente de alta umidade relativa ... 94
Figura 36 - Resultados de variação de massa das amostras do grupo 08 ... 95
Figura 37 - Resultados da variação de massa das amostras do grupo 09 ... 95
Figura 38 - Gráfico para obtenção do coeficiente de absorção capilar ... 97
Figura 39 - Correlação entre o coeficiente de absorção capilar e a velocidade de pulso ultrassônico em ambas as etapas de ensaios do grupo 01... 99
Figura 40 - Correlação entre o coeficiente de absorção capilar e o módulo de elasticidade dinâmico em ambas etapas de ensaio do grupo 01 ... 99
Figura 41 - Correlação entre o coeficiente de absorção capilar e a velocidade de pulso ultrassônico em ambas as etapas de ensaios do grupo 02... 100
Figura 42 - Correlação entre o coeficiente de absorção capilar e o módulo de elasticidade dinâmico em ambas etapas de ensaio do grupo 02 ... 100
Figura 43 - Correlação entre o coeficiente de absorção capilar e a velocidade de pulso ultrassônico em ambas as etapas de ensaios do grupo 03... 101
Figura 44 - Correlação entre o coeficiente de absorção capilar e o módulo de elasticidade dinâmico em ambas etapas de ensaio do grupo 03 ... 101
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Classificação dos poros da pasta de cimento ... 30
Tabela 2 - Características físicas e mecânicas do cimento utilizado ... 44
Tabela 3 - Características químicas do cimento utilizado ... 44
Tabela 4 - Valores de porcentagem retida acumulada e características físicas do agregado miúdo natural ... 45
Tabela 5 - Valores de porcentagem retida acumulada e características físicas do agregado miúdo artificial ... 46
Tabela 6 - Porcentagem retida acumulada das areias empacotadas para ambos os traços ... 47
Tabela 7 -- Características físicas das misturas de agregado miúdo utilizadas ... 47
Tabela 8 - Valores de porcentagem retida acumulada e características físicas da brita 0 ... 48
Tabela 9 - Valores de porcentagem retida acumulada e características físicas da brita 1 ... 48
Tabela 10 - Valores de porcentagem retida acumulada e características físicas da mistura utilizada dos agregados graúdos ... 49
Tabela 11 - Características físico-químicas do aditivo superplastificante e do aditivo polifuncional ... 50
Tabela 12 - Características físico-químicas do aditivo cristalizante ... 51
Tabela 13 - Composição e parâmetros dos traços dos concretos produzidos ... 52
Tabela 14 - Identificação e ordem de produção dos traços utilizados ... 52
Tabela 15 - Etapas de produção do concreto ... 53
Tabela 16 - Resultados do ensaio de abatimento de tronco de cone ... 54
Tabela 17 - Identificação da divisão dos grupos para a realização dos ensaios ... 59
Tabela 18 - Cronograma do ensaio de absorção por capilaridade ... 62
Tabela 19 - Cronograma do ensaio de absorção por imersão ... 65
Tabela 20 - Critérios de avaliação do concreto com base na velocidade de onda ultrassônica 67 Tabela 21 - Estimativa do módulo dinâmico em função da velocidade ultrassônica ... 68
Tabela 22 - Resultados de resistência à compressão simples dos traços, aos 28 dias ... 71
Tabela 23 - Resultados médios de absorção de água por capilaridade do grupo 01, 02 e 03... 74
Tabela 24 - Resultados médios das alturas de ascensão de água por capilaridade ... 77
Tabela 25 - Resumo dos resultados da variação da absorção e ascensão capilar dos traços com aditivo cristalizante em relação aos traços de referência ... 78 Tabela 26 - Resultados médios de absorção de água por imersão total do grupo 04, 05 e 06 . 80
Tabela 27 - Resultados médios de absorção e índice de vazios para os grupos 04 e 05 ... 82
Tabela 28 - Sugestão de classificação dos concretos em função da porosidade e absorção de água por imersão ... 83
Tabela 29 – Massas específicas das amostras do grupo 04 e 05 ... 84
Tabela 30 - Resultados médios de velocidade de pulso ultrassônico para os grupos do ensaio de absorção por capilaridade ... 85
Tabela 31 - Resultados médios de velocidade de pulso ultrassônico para os grupos do ensaio de absorção por imersão total ... 86
Tabela 32 - Resumo dos resultados da variação da velocidade de propagação de onda dos traços com aditivo cristalizante em relação aos traços de referência ... 87
Tabela 33 - Classificação da velocidade de onda ultrassônica ... 88
Tabela 34 - Resultados médios do módulo de elasticidade dinâmico através das respectivas velocidades de propagação de ondas ... 89
Tabela 35 - Resumo dos resultados da variação do módulo de elasticidade dos traços com aditivo cristalizante em relação aos traços de referência ... 91
Tabela 36 - Resultados da variação dimensional para ambos os grupos de amostras ... 92
Tabela 37 - Resultados da variação de massa para ambos os grupos de amostras ... 94
Tabela 38 - Valores do coeficiente de absorção capilar para as amostras do grupo 01 ... 97
Tabela 39 - Valores do coeficiente de absorção capilar para as amostras do grupo 02 ... 98
Tabela 40 - Valores do coeficiente de absorção capilar para as amostras do grupo 03 ... 98
Tabela 41 - Valores de coeficiente de correlação (R) e coeficiente de determinação (R²) em relação aos coeficientes de absorção capilar ... 102
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
a/c – Água / Cimento
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas ASTM – American Society for Testing and Materials
CP V-ARI - Cimento Portland tipo V Alta Resistência Inicial g/cm³ - Gramas por centímetro cúbico
GPa – Giga Pascal (109 Pascal)
GPEND – Grupo de pesquisas em ensaios não destrutivos kg/m³ - Quilograma por metro cúbico
LMCC – Laboratório de Materiais de Construção Civil mm - Milímetro
MPa – Mega Pascal (106 Pascal) MgO - Óxido de magnésio
NANOTEC – Laboratório de Aplicações de Nanotecnologia em Construção Civil NBR – Norma Brasileira Regulamentada pela ABNT
nm – Nanômetro
PRAH - Permeability Reducer Aditive for Concrete Exposed to Hydrostatic Conditions UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 23 1.1 OBJETIVOS ... 24 1.1.1 Objetivo Geral ... 24 1.1.2 Objetivos Específicos ... 24 1.2 JUSTIFICATIVAS ... 25 1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 25 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 27
2.1 DURABILIDADE DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO ... 27
2.2 DETERIORAÇÃO DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO ... 27
2.3 MECANISMOS DE TRANSPORTE ATUANTES NO CONCRETO ... 28
2.3.1 Penetração de água sob pressão ... 31
2.3.2 Absorção Capilar ... 31
2.4 REDUÇÃO DA ENTRADA DE ÁGUA NO CONCRETO... 32
2.4.1 Relação água/ligante... 33
2.4.2 Cura do concreto ... 34
2.4.3 Impermeabilização por cristalização capilar ... 35
2.5 DEFORMAÇÃO DO CONCRETO ... 37
2.5.1 Retração autógena ... 38
2.5.2 Retração por secagem ... 38
2.6 MÓDULO DE ELASTICIDADE ... 39
2.6.1 Módulo de elasticidade dinâmico ... 40
3 INVESTIGAÇÃO EXPERIMENTAL ... 43
3.1 INTRODUÇÃO... 43
3.2 CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS ... 44
3.2.1 Cimento ... 44
3.2.3 Agregado graúdo ... 48 3.2.4 Aditivos ... 50 3.3 PRODUÇÃO DO CONCRETO ... 51 3.3.1 Procedimentos de mistura dos materiais... 52 3.3.2 Moldagem e adensamento... 54 3.3.3 Cura das amostras de concreto ... 55 3.4 ENSAIOS REALIZADOS ... 57 3.4.1 Ensaio de resistência à compressão ... 59 3.4.2 Ensaio de absorção por capilaridade ... 60 3.4.3 Ensaio de absorção por imersão... 63 3.4.4 Ensaio de velocidade de pulso ultrassônico (UPV) ... 65 3.4.5 Ensaio de variação dimensional ... 68 4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ... 71 4.1 ENSAIO DE RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO ... 71 4.2 ENSAIO DE ABSORÇÃO POR CAPILARIDADE ... 73 4.3 ABSORÇÃO POR IMERSÃO ... 80 4.4 ENSAIO DE VELOCIDADE DE PULSO ULTRASSÔNICO (UPV) ... 84 4.5 ENSAIO DE VARIAÇÃO DIMENSIONAL ... 92 4.6 CORRELAÇÕES ... 96 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS... 103 5.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 105 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 107 APÊNDICE A ... 113 APÊNDICE B ... 115 APÊNDICE C ... 118 APÊNDICE D ... 122
1 INTRODUÇÃO
Apesar de ser um material de construção relativamente recente, a descoberta do concreto de cimento Portland é considerada uma das mais importantes para o desenvolvimento e qualidade de vida da humanidade. Perdendo apenas para a água no ranking dos materiais mais consumidos do mundo nos dias de hoje, o concreto revolucionou a forma de se projetar e construir estruturas (HELENE; ANDRADE, 2007).
Por toda sua versatilidade, boa resistência mecânica e seu baixo custo dentre os materiais de construção disponíveis, o concreto tem sido amplamente utilizado em todo o mundo (MEHTA; MONTEIRO, 2008). No entanto, durante muito tempo a tecnologia desse material foi concentrada apenas na busca por maiores resistências à compressão, em um contexto no qual concreto resistente era dotado de elevada durabilidade (NEVILLE, 2016).
Na virada da década de 60 para 70, com o aumento da necessidade de reabilitação ou reforço de diversas edificações, a engenharia de estruturas constatou que para garantir uma maior durabilidade das construções era necessário pesquisar novos critérios além apenas da capacidade resistente. Assim, questões associadas com as condições mínimas de servicibilidade, em especial no que se refere a fissuração, deformações e curvaturas, passaram a ser mais pesquisadas e introduzidas nas normas e regulamentos (SOUZA; RIPPER, 1998).
Segundo Medeiros, Andrade e Helene (2011), novos conhecimentos a respeito da durabilidade das estruturas de concreto surgiram e continuam se ampliando graças ao aumento dos estudos sobre os mecanismos de transporte de líquidos e de gases agressivos. Essas pesquisas são de extrema importância, dado que elevar a durabilidade das estruturas, de maneira geral, acarreta em uma maior preservação dos recursos naturais, redução dos impactos ambientais, economia de energia e o prolongamento do potencial de extração das reservas naturais.
Uma das formas de proteção das estruturas de concreto é através dos sistemas de impermeabilização. De acordo com Muhammad et al. (2015), diversos estudos foram realizados para produzir aditivos impermeabilizantes buscando melhorar a durabilidade dos elementos de concreto. Essas pesquisas buscam principalmente reduzir a permeação de água e outros fluidos, combatendo a degradação e problemas estéticos nas estruturas, e portanto, aumentando a vida útil das construções e evitando novos custos de reparação e manutenção.
Dentro do contexto dos novos métodos que surgiram buscando uma redução da permeabilidade estão os aditivos impermeabilizantes por cristalização integral do concreto. Apesar dos conhecimentos científicos específicos sobre esses produtos serem mais escassos comparados com outros tipos de impermeabilizantes, novas pesquisas surgem anualmente, gerando informações importantes a respeito do tema.
De forma contrária aos materiais hidrofóbicos ou impermeáveis, Azarsa, Gupta e Biparva (2018) afirmam que os aditivos cristalizantes são hidrofílicos, o que os faz reagir facilmente com água. Portanto, à medida que a umidade penetra no concreto, a reação gerada forma cristais que bloqueiam os poros e as fissuras, reduzindo a permeabilidade da estrutura. Pelo fato desse sistema produzir depósitos insolúveis no concreto, esses aditivos possuem propriedades cicatrizantes capaz de reparar suas próprias fissuras, mecanismo chamado de autocicatrização.
Sendo assim, a proposta dessa pesquisa é analisar a capacidade da impermeabilização por cristalização integral na redução da entrada de água no concreto, comparando o desempenho do aditivo cristalizando em amostras tanto de reduzida quanto de elevada relação água/cimento.
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo Geral
O objetivo geral deste trabalho é analisar o processo de cristalização gerado pelo aditivo cristalizante na rede capilar de dois concretos usinados.
1.1.2 Objetivos Específicos
● Identificar possíveis variações na resistência à compressão do concreto após a adição de aditivo cristalizante.
● Examinar a influência da cristalização de concreto nos valores de velocidade de pulso ultrassônico e no respectivo módulo de elasticidade dinâmico.
● Analisar as variações dimensionais (retração ou expansão linear) das amostras com duas relações água/cimento diferentes utilizadas na produção do concreto da pesquisa.
1.2 JUSTIFICATIVAS
Tratando-se de um produto relativamente recente em comparação aos tradicionais sistemas de impermeabilização e por ainda não possuir uma norma brasileira que regulamente os aditivos cristalizantes, busca-se portanto contribuir com novas informações e ideias para o desenvolvimento científico a respeito desse tema. Além disso, com a necessidade crescente de obtenção de concretos de melhor desempenho, baixíssimas relações água/cimento vem sendo utilizadas, gerando estruturas de permeabilidade reduzida. No entanto, quando o objetivo é reduzir a entrada de água no concreto, a cristalização integral ganha espaço no tema, proporcionando um concreto durável sem a necessidade de relações água/cimento tão reduzidas que exigem alto controle tecnológico.
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO
O seguinte trabalho foi estruturado em cinco capítulos principais, conforme descrito a seguir.
O primeiro capítulo introduz de forma breve o tema, apresentando também o objetivo geral do estudo, além dos objetivos específicos e a presente estrutura do trabalho.
No segundo capítulo apresenta-se uma revisão de diversos temas que são necessários para a base da pesquisa, como conceitos e definições a respeito dos fatores que envolvem a impermeabilização por cristalização do concreto.
A investigação experimental é o conteúdo do terceiro capítulo. Essa parte tem como objetivo apresentar a metodologia utilizada nos ensaios que foram realizados. Assim, serviu de espaço para determinar os métodos de ensaios ideais para uma correta obtenção dos resultados esperados. A caracterização de todos os materiais utilizados na produção do concreto também é tema deste capítulo. Buscou-se uma ampla padronização na etapa de dosagem de concreto, a fim de alcançar o menor número possível de variações não previstas na investigação experimental. Por fim, está descrita a execução dos ensaios, parte principal da avaliação das amostras moldadas.
Posteriormente, os resultados obtidos durante o programa experimental são apresentados no quarto capítulo, assim como uma avaliação inicial e discussão desses.
O último capítulo principal retrata uma breve conclusão do anterior, assim como as análises finais, buscando responder as questões apresentadas no início do estudo e sugerindo temas para novas pesquisas.
Após os cinco capítulos principais, as referências bibliográficas são retratadas, agrupando uma série de estudos nos quais este trabalho foi embasado e teve seu desenvolvimento realizado.
Por fim, são apresentados quatro apêndices, onde os resultados individuais de cada amostra testada são descritos.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 DURABILIDADE DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO
No cenário mundial atual, cada vez mais consolidam-se novas ideias na concepção das estruturas de concreto, focadas na durabilidade e no aumento da vida útil. Esses conceitos são contrários à suposição antiga de que a durabilidade do concreto era predominantemente relacionada à sua resistência média à compressão. Problemas de degradação precoce, novas necessidades competitivas e exigências de sustentabilidade são alguns dos fatores que influenciaram nessa mudança de mentalidade (MEDEIROS; ANDRADE; HELENE, 2011).
Conforme Gjørv (2015), nos últimos anos difundiu-se a ideia de que pequenos custos adicionais em projetos e na execução das estruturas geram uma maior durabilidade, sendo um ótimo investimento para os seus proprietários. Essa elevada durabilidade não envolve apenas um aspecto econômico, mas também toda uma questão ambiental e de sustentabilidade, fatores importantíssimos nos tempos atuais.
Neville (2016) propõe que para ser considerado durável, o concreto tem de possuir a capacidade de suportar os processos de deterioração que será exposto, conservando uma resistência mecânica adequada e uma condição de serviço pelo período que foi especificado em projeto.
Medeiros, Andrade e Helene (2011) afirmam que um conhecimento apurado a respeito da durabilidade das estruturas de concreto torna-se de extrema importância quando se busca uma melhor previsão no comportamento do concreto em longo prazo, na prevenção das manifestações patológicas precoces, além da contribuição para a economia e sustentabilidade das estruturas.
2.2 DETERIORAÇÃO DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO
Uma durabilidade inadequada é causada por mecanismos de degradação do concreto, podendo ser classificados em físicos, mecânicos ou químicos. Entretanto, Neville (2016) destaca que a deterioração do concreto raramente ocorre devido a exclusivamente um tipo dessas ações deletérias, sendo decorrente, portanto, de um efeito sinérgico.
De acordo com Mehta e Monteiro (2008), as causas físicas de degradação do concreto podem ser divididas em dois grupos: (a) desgaste superficial, representado pelas ações de abrasão, erosão e cavitação; e (b) fissuração, decorrente de variações volumétricas, carregamentos estruturais ou exposição do concreto a temperaturas extremas, como gelo-degelo e fogo. Ainda de acordo com os autores, a degradação física pode ser causa primária dos processos de deterioração química, pois a perda de massa gerada pelo desgaste superficial e a fissuração elevam a permeabilidade do concreto, facilitando a entrada de fluidos.
Por outro lado, as reações químicas são agrupadas em três categorias: (a) reações expansivas; (b) reações entre os componentes da pasta de cimento e fluidos agressivos; e (c) reações envolvendo hidrólise e lixiviação. Novamente, as causas químicas também influenciam na deterioração física, como por exemplo no caso de um processo de lixiviação avançada, que ao remover uma quantidade significativa de partículas sólidas, aumenta a porosidade da superfície do concreto, tornando esse mais vulnerável ao processo de abrasão e erosão (MEHTA; MONTEIRO, 2008).
Segundo Souza e Ripper (1998), “quanto mais permissivo um concreto for ao transporte interno de água, gases e de outros agentes agressivos, maior será a probabilidade da sua degradação”. Essa afirmação condiz com a de Neville (2016), de que a durabilidade do concreto depende da facilidade com que os fluidos, líquidos ou gases, penetram e se movimentam no interior do concreto – característica normalmente denominada de permeabilidade do concreto. Logo, a questão do transporte de fluidos internamente no concreto torna-se importantíssimo para uma boa análise de durabilidade.
2.3 MECANISMOS DE TRANSPORTE ATUANTES NO CONCRETO
Em busca de um melhor entendimento sobre como ocorre o transporte de fluidos nas estruturas de concreto, é fundamental que se conheça o material concreto. Por toda sua robustez e por transmitir uma imagem de resistência, esse é frequentemente classificado, de forma equivocada, como um sólido. Todavia, para que se possa projetar e construir estruturas duráveis, é necessário o entendimento do concreto como um pseudo-sólido, detentor de uma estrutura porosa (SOUZA; RIPPER, 1998).
Bauer (2008) complementa o assunto afirmando que o concreto é quase sempre permeável aos fluidos, já que é um material obrigatoriamente poroso. Esses vazios, que geralmente são interligados, são decorrentes de diversas origens, tais como o excesso de água
de mistura, diminuição do volume que acompanha a hidratação do cimento, ar incorporado durante a operação de mistura, erro na dosagem dos insumos, entre outros.
É importante ressaltar a diferença entre porosidade e permeabilidade, já que não são todos os tipos de poros que contribuem para o movimento de líquidos e gases no interior do concreto. Neville (2016) define porosidade como a medida da proporção do volume total ocupado por poros. Assim, caso essa propriedade seja elevada e o concreto tenha seus poros interligados, esses contribuem para o transporte de fluidos através do concreto, e portanto, sua permeabilidade também é classificada como elevada. No entanto, na condição dos poros serem descontínuos, o concreto tem baixa permeabilidade independentemente de sua porosidade ser elevada.
Souza e Ripper (1998) concluem que uma estrutura porosa é definida não apenas pela sua distribuição dos poros (em função das dimensões destes), mas também pela porosidade aberta, representando toda a interligação entre os poros e possibilitando o transporte de líquidos, gases e substâncias dissolvidas pelo meio da massa. A figura 1 demonstra a diferença entre duas estruturas sólidas na questão da permeabilidade.
Figura 1 - Material sólido: (a) Impermeável; (b) Permeável
Fonte: Ismail 1(2006 apud SILVA, 2011)
De forma genérica, os poros da pasta de cimento podem ser classificados, com base em seus tamanhos, em macroporos, mesoporos ou microporos, sendo os dois primeiros
1 ISMAIL, M. Etude des transferts et de leurs interactions avec la cicatrisation dans les fissures pour Prolonger la duree de servisse dês Infrastructures (ponts, centrales nucleaires). Toulouse, França, 2006, 234 p. Tese (Doutorado) – Institut Nactional des Sciences Appliquées.
particularmente importantes na questão da durabilidade do concreto (SOUZA; RIPPER, 1998). A tabela 1 apresenta a classificação dos poros.
Tabela 1 - Classificação dos poros da pasta de cimento
Adaptado de Union of Pure and Applied (IUPAC, 2014)
Os principais fluidos que podem penetrar no concreto e afetar sua durabilidade, de acordo com Neville (2016), são a água pura ou com íons contaminados, o gás carbônico e o oxigênio. Essencialmente, a movimentação desses através do concreto depende da estrutura da pasta de cimento hidratada. A figura 2 representa as condições existentes nos fenômenos de transporte.
Figura 2 - Principais fatores envolvidos nos fenômenos de transporte no interior dos materiais porosos
Fonte: Bertolini (2010)
Denominação Tipo Diâmetro Microporos Poros de gel < 2 nm
Mesoporos Poros capilares 2 nm a 50 nm Macroporos Poros capilares > 50 nm
Sendo assim, o transporte de fluidos para o interior da estrutura do concreto pode ocorrer principalmente através dos mecanismos de permeação, absorção capilar e difusão, além da migração iônica em situações de penetração de cloretos (SATO, 1998). Neste tópico serão abrangidos apenas os dois primeiros, que serão importantes no decorrer do programa experimental.
2.3.1 Penetração de água sob pressão
Também chamada de permeação, esse sistema de transporte pode ser definido como o fluxo de um fluido nos poros do concreto através de um gradiente de pressão (RIBEIRO et al., 2014).
Segundo Silva Filho (1994), o mecanismo de penetração de água sob pressão se constitui no caso mais característico para se medir a propriedade do concreto denominada permeabilidade.
Entretanto, ressalta-se que neste trabalho o termo permeabilidade será utilizado, como já definido anteriormente, relacionado com a facilidade dos fluidos penetrarem e se movimentarem no interior do concreto, englobando além da permeação, o mecanismo de absorção capilar.
2.3.2 Absorção Capilar
Conforme Ribeiro et al. (2014), a absorção capilar é caracterizada como o transporte de líquidos gerado por uma tensão superficial que atua nos poros capilares do concreto. Esse mecanismo pode também ser definido como o fluxo de um fluido devido à um gradiente de umidade.
Bertolini (2010) afirma que quando uma solução aquosa tem contato com a superfície porosa do concreto, em estado não saturado, essa pode ser absorvida pelo efeito de uma depressão causada por meio da “ação capilar”, que permite a subida do líquido através dos poros do material. Esse processo é demonstrado na figura 3.
Figura 3 – Mecanismo de absorção de um material hidrófilo
Fonte: Bertolini (2010)
Supostamente, as pressões capilares são maiores quanto menor o diâmetro dos poros capilares, e assim maior é a profundidade de concreto atingida pela absorção. De outra forma, diâmetros de capilares maiores geram menores profundidades, mas com elevadas taxas de água absorvida. Entretanto, independentemente desses princípios, o que é mais relevante nessas análises é a questão da intercomunicabilidade dos capilares. É esse fator que faz de um concreto de baixa relação água/cimento, em geral com menor diâmetro de capilares e de reduzida intercomunicação entre eles, apresentar menor profundidade de penetração e inferior quantidade de água absorvida (HELENE, 1993).
Ressalta-se, na questão do grau de saturação do material, que a absorção capilar pode ocorrer apenas em concretos secos ou parcialmente secos. No caso de uma estrutura saturada, sem a ação de pressões externas, aparentemente o risco de penetração de agentes agressivos é baixíssimo (RIBEIRO et al., 2014).
2.4 REDUÇÃO DA ENTRADA DE ÁGUA NO CONCRETO
A diminuição do processo de entrada e movimentação de água dentro do concreto pode ser atingida através de uma série de medidas. Britez et al. (2013) ressalta que é possível obter concretos impermeáveis, representando verdadeiras barreiras contra o ingresso de água. No entanto, analisando como um sistema global, mais importante do que obter um concreto impermeável é conseguir tornar uma estrutura estanque.
Dentro dos fatores que são relevantes para a estanqueidade da estrutura, como bons procedimentos executivos, um material de qualidade é um dos pilares desse objetivo. Para isso, este trabalho apresentará algumas das formas de dificultar a entrada de água no concreto. O foco principal será a utilização da impermeabilização por cristalização capilar, mas abrangerá também fatores como a redução da relação a/c e um procedimento de cura eficiente.
2.4.1 Relação água/ligante
A relação água/ligante, neste caso água/cimento, é determinante na formação da microestrutura das pastas, argamassas e concretos de cimento Portland. Portanto, aliado ao grau de hidratação dos grãos de cimento, esse parâmetro torna-se decisivo na quantidade e na forma dos poros capilares, influenciando diretamente no caminho do transporte de fluidos através desses materiais (HELENE, 1993).
Em outras palavras, Neville (2016) pontua que em qualquer estágio de hidratação, a relação água/cimento determina a porosidade da pasta de cimento endurecida. Portanto, o volume de vazios do concreto é diretamente relacionado com a relação a/c e o grau de adensamento do concreto, como demonstra a figura 4.
Figura 4 - Efeito da relação água/cimento na porosidade do concreto baseado em cimento Portland puro
Fonte: Adaptado de Gjørv e Vennesland 2(1979 apud GJØRV, 2015)
Mehta e Monteiro (2008) afirmam que existe uma relação entre o fator água/ligante e a resistência do concreto. Esse vínculo é facilmente explicado como uma consequência natural do enfraquecimento da matriz gerado pelo aumento da porosidade, consequência causada pela elevação do fator a/c. Na figura 5, essa relação é demonstrada.
2 Gjørv, O.E. and Vennesland, Ø. (1979) Diffusion of Chloride Ions from Seawater into Concrete, Cement and Concrete Research, 9, 229–238.
Figura 5 - Relação entre sua resistência à compressão e relação água/cimento
Fonte: Neville (2016)
2.4.2 Cura do concreto
Para Mehta e Monteiro (2008), o procedimento de cura do concreto é destinado a promover a hidratação do cimento, sendo necessário ocorrer imediatamente após a colocação do material nas formas, já que é influenciado pela duração, temperatura e condições de umidade do ambiente.
Sendo assim, o desenvolvimento dos vazios do concreto depende além da sua composição, das condições de cura e de exposição. Sato (1998) afirma que no concreto curado apenas ao ar, sua porosidade varia com a distância em relação à superfície exposta, causada por diferentes graus de hidratação das partículas do cimento.
Paula Couto et al. (2003) descrevem que frequentemente na construção civil os procedimentos de cura são negligenciados. No entanto, é apresentado em sua pesquisa a importância da cura na redução da absorção de água e permeabilidade do concreto, promovendo uma maior durabilidade às estruturas.
Helene (1993) considera que realizar a cura em uma duração ideal é um dos fatores que influenciam positivamente na redução dos processos de corrosão, carbonatação e contaminação por cloretos nas estruturas de concreto, causada neste caso, pelo elevado grau de hidratação do cimento, e portanto, menor permeabilidade.
2.4.3 Impermeabilização por cristalização capilar
A adição de impermeabilizante por cristalização integral no concreto em estado fresco tem como objetivo reduzir a entrada de água em seu interior, através da formação de uma estrutura cristalina insolúvel, que preenche os poros e capilares do material. Segundo Bilesky, Ourives e Yokoyama (2009, p. 24), o processo de cristalização é mais resistente ao intemperismo e águas agressivas que os sistemas convencionais por membranas físicas, já que as formações cristalinas se tornam parte integrante do concreto.
Atualmente no Brasil ainda não existem normas que regulamentam esse tipo de aditivo. Entretanto, o comitê do Instituto de Concreto Americano (ACI) descreve os aditivos cristalizantes pelo termo Permeability Reducer Aditive for Concrete Exposed to Hydrostatic Conditions (PRAH). Azarsa, Gupta e Biparva (2018) afirmam que apesar dessa tecnologia já estar sendo utilizada ao longo das últimas duas décadas na indústria da construção, o número de pesquisas sobre o assunto ainda é limitado.
A maioria dos aditivos cristalizantes consiste em cimento Portland, areia de quartzo tratada e um composto de produtos químicos ativos. Takagi, Júnior e Oliveira (2004) afirmam que esses compostos químicos, ao utilizar a água como meio migrante, permeiam através das capilaridades do concreto, reagindo com produtos químicos inertes presentes nos em seus poros. Segundo Sisomphon, Copuroglu e Koenders (2012), a presença de umidade em valores significativos é de extrema importância para a formação adequada do processo de cristalização.
De acordo com o ACI (2010), o funcionamento da reação de cristalização capilar (figura 6) pode ser representado através da equação 1. As misturas hidrofílicas cristalinas contêm componentes ativos que reagem com as partículas do cimento e com a água, gerando silicato de cálcio hidratado e/ou precipitado cristalino, que bloqueiam os poros e capilares existentes na estrutura interna do concreto. Ressalta-se que a cristalização evolui ao longo do tempo, e portanto a redução da permeabilidade não é um processo instantâneo.
Figura 6 - Funcionamento das reações de cristalização em uma rede capilar
Fonte: Adaptado de PENETRON®
Pazderka e Hájková (2016) demonstram que apesar do impedimento da penetração de água, a cristalização não contribui significativamente na redução da absorção de vapor d’água. Assim, permite que o concreto respire, evitando a formação de pressão de vapor internamente na estrutura.
Outra vantagem na utilização desse aditivo é a sua capacidade de autocicatrização de fissuras de até 0,4 mm, desde que sejam passivas. Esse processo, chamado também de cicatrização autógena, acontece devido ao fato de os cristais permanecerem inativos até ocorrer contato com água. Portanto, após a abertura de novas fissuras e a entrada de água, inicia-se um regime de colmatação dessas, com a formação de uma nova estrutura cristalina (BILESKY; OURIVES; YOKOYAMA, 2009).
Segundo os fabricantes, a impermeabilização por cristalização integral é um sistema atóxico, já que não gera produtos poluentes que possam contaminar a água e o solo. Além disso, garantem que toda a estrutura cristalina gerada é capaz de resistir tanto à pressões hidrostáticas positivas quanto negativas. Sendo assim, Takagi (2013) afirma que os cristalizantes podem ser utilizados no reparo de concreto em lugares de difícil acesso para realizar a manutenção, como em lajes de subpressão, tomadas d’água de barragens e em instalações de resíduos nucleares.
2.5 DEFORMAÇÃO DO CONCRETO
A estrutura interna do concreto desempenha grande influência não só na resistência à compressão mas também na deformabilidade desse material. Como já explicado no item 2.4.1, a relação água/cimento é determinante na formação dessa microestrutura, sendo portanto, de grande importância nas deformações do concreto nas primeiras idades.
O fenômeno da variação volumétrica do concreto pode ocorrer de duas maneiras, sendo chamado de retração no caso da saída de água desse corpo poroso, ou de expansão, quando existe um suprimento de água (NEVILLE, 2016).
No que se diz respeito ao processo de expansão, Neville (2016) afirma que o concreto quando é curado de forma contínua em água pode apresentar um aumento líquido de volume e de massa, causado pela absorção de água pelo gel de cimento. Sendo assim, o efeito da expansão nas idades iniciais só ocorre quando o concreto é imerso em água logo após sua produção, compensando a autodessecação e mantendo saturada a pasta de cimento.
A retração, segundo Hasparyk et al. (2005), pode ser definida como o “fenômeno associado a deformações em pastas de cimento, argamassas e concreto, sem que haja qualquer tipo de carregamento”.
O fenômeno da retração é uma deformação tridimensional de contração do concreto causado pela perda de água, e frequentemente é expresso em deformação linear, já que grande parte dos elementos de concreto possui uma ou duas dimensões inferiores à terceira, na qual os efeitos de retração são mais intensos (AITCIN3 et al., 1997 apud ONGHERO, 2017).
Além disso, Helene e Andrade (2007) comentam que o conhecimento dos processos de retração do concreto é muito importante, já que na prática, a retração das estruturas de concreto dificilmente é totalmente livre. Essas restrições provocam tensões de tração no material, podendo gerar uma série de fissuras, que além de prejudicar a aparência da estrutura, aumentam a deformação das peças e reduzem sua durabilidade.
Como o fenômeno de redução do volume do concreto acaba sendo mais comum e ocorre de diferentes formas, neste trabalho será explicado mais detalhadamente os tipos de retração que apareceram na pesquisa, como a retração inicial, chamada de autógena e a de maior
3 AÏTCIN, P.-C.; NEVILLE, A.M.; ACKER, P. Integrated View of Shrinkage Deformation, Concrete International, V. 19, No. 9, September 1997, pp. 35-41.
relevância no estudo, denominada retração por secagem. Ressalta-se que o ensaio realizado para a determinação, tanto dos valores de retração quanto de expansão, será detalhado mais adiante no item 3.4.4.
2.5.1 Retração autógena
Conforme define Hasparyk et al. (2005), a retração autógena representa uma redução macroscópica dos componentes do cimento após o início da pega, de forma isolada, sem variação da temperatura ou aplicações de carregamentos externos.
Alguns fatores podem influenciar diretamente no fenômeno da retração autógena, como a relação a/c, a composição e finura do cimento, o teor de agregado e a temperatura de exposição. Assim, esse tipo de retração é mais relevante em peças estruturais que utilizam concreto com baixo consumo de água e adições minerais, como os concretos de alto desempenho (ONGHERO, 2017).
Esse tipo de retração também pode ser chamado de retração por hidratação do cimento ou retração química. Para Neville (2016), para fins práticos, exceto em concretos de alto desempenho com baixíssimas relações água/cimento, não é necessário distinguir os valores de deformação causados pela retração autógena da retração por secagem.
2.5.2 Retração por secagem
A retração por secagem, também chamada de retração hidráulica, ocorre basicamente pela evaporação da água livre ou capilar, gerando tensões no poros do concreto que ainda possuem água (HELENE; ANDRADE, 2007).
De forma semelhante, Prudêncio Jr. (2007) afirma que o concreto normalmente é dosado com uma quantidade de água mais elevada do que a necessária para a total hidratação do cimento. Logo, dependendo do tamanho dos poros no qual ocorreu a evaporação da água, sucede uma redução do volume desses, aproximando as partes sólidas do gel de cimento hidratado e provocando fissuração do concreto.
Alguns parâmetros como a temperatura e umidade relativa do ambiente, geometria da estrutura e características da mistura do concreto influenciam diretamente na intensidade da retração hidráulica (ONGHERO, 2017).
2.6 MÓDULO DE ELASTICIDADE
Para Mehta e Monteiro (2008), as características elásticas de qualquer material são uma medida de sua rigidez. Os autores colocam que apesar de o concreto não apresentar um comportamento linear, é necessário uma estimativa do módulo de elasticidade (relação entre tensão aplicada e a deformação instantânea, dentro de um limite proporcional adotado), para que se possa, além de conhecer as tensões induzidas pelas deformações associadas aos efeitos ambientais, também calcular as tensões de projeto sob carga. O módulo de elasticidade é um dos parâmetros utilizados no cálculo estrutural e, sob o aspecto de projeto, é muito importante conhecer as propriedades elásticas para que se conheçam as deformações dos elementos estruturais que o concreto compõe.
Segundo Prudêncio Jr. (2007), é de extrema importância o conhecimento dos parâmetros que envolvem o estudo do módulo de elasticidade do concreto. Apesar de existirem diversas expressões que correlacionam algumas propriedades do concreto com seu respectivo módulo de elasticidade, a adoção dessas deve ser feita com muita cautela, já que esse depende também do módulo de elasticidade de cada material constituinte e do traço adotado.
Por ser um material não homogêneo, a determinação do comportamento elástico do concreto pode ser representada por sua fração volumétrica, a densidade e o módulo de seus componentes, assim como as características da zona de transição na interface. Portanto, fatores que afetam a porosidade (propriedade inversamente proporcional à densidade), seja do agregado, da pasta de cimento ou da zona de transição tem extrema importância na determinação do módulo de elasticidade (SANTOS, A. M. et al., 2013).
Além dos fatores intrínsecos do material concreto, existem os aspectos que interferem na determinação experimental da propriedade, como os diferentes métodos de ensaios, a geometria e o grau de saturação dos corpos de prova e as tensões limites de elasticidade. Esses fatores, segundo Pacheco et al. (2014), como possuem diferentes formas de se prever e calcular, geram certa dificuldade no diálogo entre projetistas estruturais, laboratórios de ensaio e serviços de concretagem.
De forma ampla, Mehta e Monteiro (2008) dividem os tipos de módulos de elasticidade em três grupos: o módulo de elasticidade estático, separado entre o módulo tangente e o módulo
secante, o módulo de deformação à flexão e o módulo de elasticidade dinâmico, o qual foi enfatizado nos estudos deste trabalho.
2.6.1 Módulo de elasticidade dinâmico
Os efeitos dinâmicos estão sendo estudados de forma cada vez mais frequente, consequência da crescente utilização de elementos estruturais mais esbeltos e leves, e portanto, menos rígidos e mais sensíveis às ações dinâmicas (BEZERRA et al., 2009).
Para Garaygordóbil (2003), existe uma dificuldade em determinar de forma exata um único valor de módulo de elasticidade estático, já que a curva tensão-deformação do concreto se comporta com um padrão não-linear. Assim sendo, Almeida (2005) afirma que a utilização de métodos experimentais dinâmicos não-destrutivos pode fornecer um valor do módulo de elasticidade dinâmico com um alto grau de confiabilidade e de forma mais precisa, através da aplicação de carregamentos dinâmicos sem interferir diretamente na estrutura da amostra.
Conforme Mehta e Monteiro (2008), para a análise de estruturas submetidas a terremotos ou cargas de impactos, na qual o carregamento acontece sem que o concreto consiga se deformar a tempo, é recomendada a utilização do módulo dinâmico de elasticidade. Ainda segundo os autores, o módulo dinâmico para concretos convencionais de alta, média e baixas resistências pode ser até 20, 30 e 40 por cento maior, respectivamente, do que o módulo estático. De acordo com Cossolino e Pereira (2010), os métodos dinâmicos de estudo do módulo de elasticidade fornecem informações tanto quantitativas (módulos elásticos) bem como qualitativas a respeito da integridade de um material. Por se tratarem de ensaios quase sempre não-destrutivos, os corpos de prova podem ser empregados novamente em outros estudos, não ficando inutilizáveis.
Malhotra (2001) destaca duas categorias de métodos bastante utilizados relacionados ao módulo de elasticidade dinâmico: a primeira é caracterizada pelos testes de determinação da frequência natural de vibração de um material quando submetido a vibrações transversais, longitudinais ou torcionais. Já a segunda se baseia na medição da velocidade de propagação de pulsos ultrassônicos e sua relação com a massa específica e características elásticas do concreto. Pacheco et al. (2014) defendem a implementação desses novos métodos, entendendo que representam uma opção mais adequada, simples e não-destrutiva para a determinação do módulo de elasticidade.
O método baseado na determinação da velocidade sônica é mais utilizado para a caracterização de metais e de concretos utilizados na construção civil, enquanto as técnicas relacionadas nas frequências naturais são mais utilizados na caracterização de materiais cerâmicos, frágeis e para altas temperaturas (PEREIRA; RODRIGUES, 2010). Portanto, tratando-se de um estudo realizado com amostras de concreto, o ensaio escolhido nesta pesquisa para a determinação do módulo de elasticidade dinâmico foi o UPV (Ultrasonic pulse velocity test).
3 INVESTIGAÇÃO EXPERIMENTAL
3.1 INTRODUÇÃO
O presente capítulo tem como a finalidade apresentar o programa experimental elaborado no decorrer da pesquisa, dessa forma facilitando a compreensão do percurso escolhido. Seguidamente é descrita toda a caracterização dos materiais utilizados, assim como a produção dos concretos, detalhando as etapas de moldagem, adensamento e cura das amostras. E por fim, apresentam-se os métodos de ensaio que foram realizados no estudo. De forma esquemática, um resumo da investigação experimental pode ser observado na figura 7.
Figura 7 - Metodologia do programa experimental da pesquisa desenvolvida
Fonte: autor (2019)
A metodologia proposta na figura 7 representa a forma como a pesquisa foi dividida para analisar a funcionalidade da impermeabilização por cristalização integral. A partir da determinação de duas relações água/cimento, com fatores 0,45 e 0,70, representando um concreto de melhor e outro de pior qualidade, respectivamente, produziram-se amostras com a presença do aditivo cristalizante que foram comparadas com outras de referência, sem qualquer tipo de modificação.
3.2 CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS
3.2.1 Cimento
Para o experimento foi utilizado o cimento Portland de alta resistência inicial (CPV-ARI), tendo origem de um único lote de fornecimento, atendendo às normas brasileiras e sendo comercializado nacionalmente. Esse tipo de cimento apresenta baixo teor de adição mineral, sendo assim uma boa escolha para verificar o funcionamento do aditivo cristalizante na redução da permeabilidade sem a influência de outras adições. As tabelas 2 e 3 apresentam os resultados dos ensaios físicos, mecânicos e químicos do cimento utilizado na fabricação do concreto, cumprindo corretamente os limites normativos.
Tabela 2 - Características físicas e mecânicas do cimento utilizado
Fonte: adaptado do fabricante
Tabela 3 - Características químicas do cimento utilizado
Fonte: autor (2019)
Média Limites de Norma
0,0 -0,6 -5273 -30,25 -Início 231 ≥ 60 Fim 268 ≤ 600 1 Dia 22,8 ≥ 14,0 3 dias 33,1 ≥ 24,0 7 Dias 38,0 ≥ 34,0 28 Dias 45,9 -Água de Consistência (%) Tempo de Pega (min)
Resistência à Compressão Axial (MPa)
Análise Física e Mecânica Finura #200
Área Específica (Blaine) (cm²/g) Finura #400
Média Limites de Norma
3,9 ≤ 6,5 5,9 -2,9 ≤ 4,5 10,8 -Resíduo Insolúvel - RI Análise Química (%) Perda ao Fogo - PF Óxido de Magnésio (MgO) Trióxido de Enxofre (SO3)
3.2.2 Agregado miúdo
Na produção do concreto foram utilizados dois tipos de agregado miúdo, visando uma melhor distribuição granulométrica. Abaixo apresentam-se informações a respeito de cada um dos agregados, assim como as respectivas curvas granulométricas.
O primeiro agregado miúdo utilizado foi uma areia natural de cava quartzosa e oriunda da região de Araquari/SC. A tabela 4 apresenta os resultados de caracterização do agregado miúdo natural.
Tabela 4 - Valores de porcentagem retida acumulada e características físicas do agregado miúdo natural
Fonte: autor (2019)
Como segundo agregado miúdo foi usada uma areia artificial obtida da britagem de rocha gnaisse, provinda da região de Pomerode/SC. A vantagem da utilização de areias industriais é aproveitar parte do material do descarte das minerações, reduzindo uma pequena parcela do impacto ambiental da construção civil. Os resultados de caracterização do agregado miúdo artificial são apresentados na tabela 5.
Abertura das Peneiras (mm) Material Retido (g) % Retida % Retida Acumulada 9,50 0,0 0,0 0 6,30 0,0 0,0 0 4,75 0,0 0,0 0 2,36 0,0 0,0 0 1,18 5,0 0,6 1 0,60 70,0 8,8 9 0,30 217,0 27,1 37 0,15 438,0 54,8 91 0,08 64,0 8,0 99 Fundo 6,0 0,8 100 Módulo de Finura 1,38 D.M.C (mm) 1,20 Massa Específica (g/cm³) 2,64
Tabela 5 - Valores de porcentagem retida acumulada e características físicas do agregado miúdo artificial
Fonte: autor (2019)
Na figura 8 estão representadas as curvas granulométricas de ambos os agregados miúdos, em função de suas porcentagens retidas acumuladas.
Figura 8 - Curva granulométrica do agregado miúdo artificial e natural
Fonte: autor (2019)
Para o traço com relação água/cimento de 0,70 a proporção em massa utilizada dos agregados foi 55% e de 45% para a areia natural e a areia artificial, respectivamente. Já para a relação de 0,45, utilizou-se a medida de 70% de areia natural e 30% de areia artificial. Abaixo
Abertura das Peneiras (mm) Material Retido (g) % Retida % Retida Acumulada 9,50 0,0 0 0 6,30 0,0 0 0 4,75 47,0 5,9 6 2,36 275,0 34,4 40 1,18 151,0 18,9 59 0,60 83,0 10,4 70 0,30 50,0 6,3 76 0,15 48,0 6,0 82 0,08 43,0 5,4 87 Fundo 103,0 12,9 100 Massa Específica (g/cm³) 2,77 Módulo de Finura 3,32 D.M.C (mm) 6,30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Fundo 0,08 0,15 0,30 0,60 1,18 2,36 4,75 6,30 9,50 % R et ida A cum ulada
Abertura das Peneiras (mm)
Zona Utilizável Zona Ótima
Agregado Miúdo Artificial Agregado Miúdo Natural
nas tabelas 6 e 7 são apresentadas a porcentagem retida acumulada e as características físicas das misturas, respectivamente, enquanto a figura 9 contém suas curvas granulométricas, atendendo os limites da NBR 7211 (ABNT, 2009).
Tabela 6 - Porcentagem retida acumulada das areias empacotadas para ambos os traços
Fonte: autor (2019)
Tabela 7 - Características físicas das misturas de agregado miúdo utilizadas
Fonte: autor (2019)
Figura 9 - Curvas granulométricas das misturas dos agregados graúdos utilizadas em cada traço
Fonte: autor (2019)
Fundo 0,08 0,15 0,30 0,60 1,18 2,36 4,75 6,30 9,50 Areia Traço 0,70 100 94 87 55 36 27 18 3 0 0 Areia Traço 0,45 100 95 88 49 27 18 12 2 0 0
Peneira (mm) % Retida Acumulada
Caracterização Areia Traço 0,70 Areia Traço 0,45 Massa Específica (g/cm³) 2,70 2,68 Módulo de Finura 2,26 1,97 D.M.C (mm) 6,30 6,30 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Fundo 0,08 0,15 0,30 0,60 1,18 2,36 4,75 6,30 9,50 % R et ida A cum ulada
Abertura das Peneiras (mm)
Zona Utilizável Zona Ótima
Areia Empacotada (0,70) Areia Empacotada (0,45)
3.2.3 Agregado graúdo
Da mesma forma anterior, foram utilizados dois tipos de agregados graúdos, de graduação 19 mm (brita 0) e 25 mm (brita 1) na confecção do concreto, sendo ambas de origem de rocha gnaisse provindos da região de Pomerode/SC. As tabelas 8 e 9 representam os valores de porcentagem retida em cada peneira para ambos os agregados, além de suas características físicas, enquanto a figura 10 as curvas granulométricas de cada um.
Tabela 8 - Valores de porcentagem retida acumulada e características físicas da brita 0
Tabela 9 - Valores de porcentagem retida acumulada e características físicas da brita 1
Fonte: autor (2019) Abertura das Peneiras (mm) Material Retido (g) % Retida % Retida Acumulada 25,00 0,00 0,00 0 19,00 0,0 0,0 0 12,50 77,0 7,7 8 9,50 443,0 44,3 52 6,30 424,0 42,4 94 4,75 37,0 3,7 98 2,36 1,0 0,1 98 Fundo 18,0 1,8 100 Massa Específica (g/cm³) 2,80 Módulo de Finura 6,41 D.M.C (mm) 19,00 Abertura das Peneiras (mm) Material Retido (g) % Retida % Retida Acumulada 25,00 0,00 0,00 0 19,00 82,0 8,2 8 12,50 831,0 83,1 91 9,50 79,0 7,9 99 6,30 0,0 0 99 4,75 0,0 0 99 2,36 0,0 0,0 99 Fundo 8,0 0,8 100 D.M.C (mm) 25,00 Massa Específica (g/cm³) 2,79 Módulo de Finura 7,03
Figura 10 - Curvas granulométricas dos agregados graúdos
Fonte: autor (2019)
Para esse tipo de agregado foi utilizado a mesma proporção para os dois traços de concreto, no valor de 55% e 45% para as graduações de 19 mm e 25 mm, respectivamente. O dados dessa mistura são apresentados na tabela 10 e na figura 11.
Tabela 10 - Valores de porcentagem retida acumulada e características físicas da mistura utilizada dos agregados graúdos Fonte: autor (2019) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Fundo 2,36 4,75 6,30 9,50 12,50 19,00 25,00 % R et ida A cum ulada
Aberturadas Peneiras(mm)
Zona Granulométrica 9/25 Agregado Graúdo D.M.C 19mm Agregado Graúdo D.M.C 25mm
Abertura das
Peneiras (mm) % Retida Acumulada
25,00 0 19,00 4 12,50 45 9,50 73 6,30 96 4,75 98 2,36 98 Fundo 100 Massa Específica (g/cm³) 2,80 Módulo de Finura 6,67 D.M.C (mm) 25,00
Figura 11 - Curva granulométrica da mistura dos agregados graúdos utilizada em ambos os traços
Fonte: autor (2019)
3.2.4 Aditivos
Utilizou-se três tipos de aditivos para a produção do concreto, sendo um aditivo superplastificante e outro aditivo polifuncional, além do próprio aditivo cristalizante. Ressalta-se que os dois primeiros foram utilizados em todos os traços dosados, já o terceiro apenas nas amostras identificadas.
Com propósitos semelhantes, tanto o aditivo superplastificante quanto o polifuncional são usados para otimizar a dosagem do concreto. Os benefícios de suas utilizações são baseados na redução da água de amassamento do concreto sem alterar a sua consistência, e portanto proporcionando uma melhor trabalhabilidade sem diminuir a resistência no estado endurecido. Na tabela 11 são apresentadas as características dos aditivos citados acima.
Tabela 11 - Características físico-químicas do aditivo superplastificante e do aditivo polifuncional
Fonte: adaptado do fabricante 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Fundo 2,36 4,75 6,30 9,50 12,50 19,00 25,00 % R et ida A cum ulada
Abertura das Peneiras (mm)
Zona Granulométrica 9/25 Mistura Utilizada dos Agregados Graúdos
Características Superplastificante Polifuncional Aspecto Líquido Viscoso Líquido Viscoso
Cor Alaranjado Marrom Escuro Massa Específica (g/cm³) 1,10 ± 0,02 1,18 ± 0,03
Base Química Policarboxilato Lignosulfonato Teor de Cloretos Isento Isento
O aditivo cristalizante é composto de cimento Portland, areia de quartzo e compostos químicos com propriedades ativas. A proporção do produto sobre a massa de cimento utilizada foi de 0,8%, teor mínimo recomendado na embalagem do fabricante. As propriedades do aditivo estão descritas na tabela 12.
Tabela 12 - Características físico-químicas do aditivo cristalizante
Fonte: adaptado do fabricante
3.3 PRODUÇÃO DO CONCRETO
Nesta parte da pesquisa são apresentadas informações mais detalhadas sobre todo o processo de produção das amostras de concreto utilizadas para a realização dos ensaios, compreendendo os procedimentos de mistura dos materiais, a moldagem e o adensamento dos corpos de prova e os métodos de cura das amostras.
O programa experimental do trabalho é constituído de quatro diferentes traços de concreto. Esse pode ser definido por uma matriz 2x2, compondo-se de dois valores de fator água/cimento (0,45 e 0,70) e duas variedades de misturas, uma contendo o aditivo cristalizante e outra sem a presença desse, definida como referência. Ressalta-se que uma relação a/c com valor acima de 0,65 está fora dos parâmetros mínimos estipulados pela NBR 6118 (ABNT, 2014). No entanto, a relação a/c de 0,70 foi utilizada para fins de pesquisa, com o objetivo de verificar os limites de potencial de funcionamento do aditivo cristalizante.
O traço empregado neste estudo foi fornecido por uma empresa de serviços de concretagem para obras convencionais e é apresentado na tabela 13.
Características Aditivo Cristalizante Aspecto (estado físico, forma e cor) Sólido em pó, Cinza
Odor e limite de odor Característico de cimento Cimento Portland (%) 40 - 70
Compostos Químicos Ativos (%) 10 - 30 Areia de Quartzo (%) 5 - 10
pH 10 - 13 (10% em solução) Ponto de fusão >1000 °C
Tabela 13 - Composição e parâmetros dos traços dos concretos produzidos
Fonte: autor (2019)
3.3.1 Procedimentos de mistura dos materiais
A produção do concreto ocorreu em quatro etapas de mistura dos materiais, sendo de quarenta litros o volume individual de cada betonada. Todo o processo de pesagem, mistura, moldagem e adensamento foi realizado em uma sala climatizada. Mesmo assim, todos os constituintes foram pesados imediatamente antes de cada mistura para evitar pequenas variações nas características dos agregados causadas pela influência da umidade.
A sequência de colocação dos materiais foi seguida igualmente para todas as misturas, tendo como mudança apenas a adição do aditivo cristalizante nos traços já identificados. As informações sobre a divisão e identificação dos traços assim como as etapas de mistura do concreto são apresentadas nas tabelas 14 e 15, respectivamente.
Tabela 14 - Identificação e ordem de produção dos traços utilizados
Fonte: autor (2019)
a/c 0,45 a/c 0,70 a/c 0,45 a/c 0,70
Cimento 1 1 1 1
Agregado miúdo natural 1,25 1,95 1,25 1,95
Agregado miúdo artificial 0,57 1,69 0,57 1,69 Agregado graúdo DMC 19 mm 1,58 2,29 1,58 2,29 Agregado graúdo DMC 25 mm 1,29 1,87 1,29 1,87 Água 0,45 0,70 0,45 0,70 Aditivo polifuncional 0,0040 0,0040 0,0040 0,0040 Aditivo superplastificante 0,0024 0,0022 0,0024 0,0022 Aditivo cristalizante - - 0,0080 0,0080 Consumo de cimento (kg/m³) 400 257 400 257 Teor de argamassa (%) 49,0 52,5 49,0 52,5
Referência Aditivo Cristalizante Componentes Cilíndricos Prismáticos I 0,70 - 0,70 REF 14 4 II 0,70 0,8 0,70 CRIS 17 -III 0,45 - 0,45 REF 14 4 IV 0,45 0,8 0,45 CRIS 17 -Ordem de
Produção Fator a/c
Teor de Aditivo Cristalizante (%)
Identificação do traço
