Desenvolvimento e caracterização experimental de concretos autoadensáveis de alto desempenho contendo seixo rolado

Madrid, 3 e 4 de Dezembro de 2012

Desenvolvimento e caracterização experimental de

concretos autoadensáveis de alto desempenho contendo

seixo rolado

PEC – Programa de Engenharia Civil/LabEST– Laboratório de estruturas e Materiais, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil.

R. Dias Toledo Filho

PEC – Programa de Engenharia Civil/LabEST– Laboratório de estruturas e Materiais, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil.

M. Schubert Pfeil

PEC – Programa de Engenharia Civil/LabEST– Laboratório de estruturas e Materiais, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil.

RESUMO

Em algumas regiões do Brasil utiliza-se o seixo rolado, oriundo do leito de rios, como agregado graúdo em concretos devido a sua alta disponibilidade e ao elevado custo dos agregados britados que precisam ser importados de outras regiões. A utilização desse tipo de agregado na produção de concretos autoadensáveis no Brasil é bastante recente e estudos são necessários para a aceitação e disseminação desse produto em regiões onde esse agregado é o único agregado disponível localmente. Neste trabalho foram estudados dois concretos autoadensáveis utilizando como agregado graúdo o seixo rolado e a pedra britada de granito, respectivamente. Aplicou-se o método do empacotamento compressível (MEC) para otimização do esqueleto granular da mistura utilizado-se o programa BetonlabPro2. A caracterização reológica das misturas foi realizada utilizando-se o reômetro BTRHEOM e os métodos tradicionais de abatimento, espalhamento, caixa L, funil V, anel J e coluna de segregação. A caracterização mecânica foi realizada através de ensaios de resistência à compressão, flexão e tração direta. Os resultados dos ensaios reológicos mostraram que o concreto com seixo rolado apresentou tensão de escoamento de 133 Pa e viscosidade plástica de 69 Pa.s. e espalhamento de 690 mm. A matriz de referência apresentou, por sua vez de tensão de escoamento foi de 237 Pa,viscosidade plástica de 104 Pa.s. e espalhamento de 590 mm. A mistura contendo seixo rolado apresentou resistência à compressão de 51 MPa, enquanto que a matriz de referência apresentou uma resistencia de 60 MPa. Os resultados indicam que o uso do seixo rolado embora tenha reduzido a resistência à compressão em cerca de 15%, melhorou consideralvelmente a a reologia da mistura de referência.

PALAVRAS-CHAVE: Concreto autoadensável, seixo rolado, propriedades mecânicas, reologia.

1.- INTRODUÇÃO

O concreto auto-adensável (CAA) foi proposto na década de 80, devido à redução do número de mão de obra qualificada e à perda de qualidade da indústria da construção civil japonesa [1]. É um concreto fluído que pode ser lançado com facilidade e sem necessidade de vibração ou outros meios de compactação que permanece homogêneo, coeso e sem segregação [2], [1].

O concreto auto-adensável, deve apresentar três propriedades fundamentais: fluidez, coesão e resistência a segregação [3]. No Brasil, a norma NBR 15823-1, define os parâmetros para a classificação, controle e aceitação do CAA no estado fresco, além de prescrever os ensaios para a verificação das propriedades do CAA [4]. Além dos ensaios estipulados pela norma NBR 15823-1, é de grande importância o estudo do comportamento reológico do CAA utilizando os reômetros já que estes equipamentos permitem a obtenção de dois parâmetros (tensão cisalhante e viscosidade plástica) necessários para caracterizar o comportamento de fluido desse tipo de concreto [5], [6].

Na produção dos concretos autoadensáveis pode se utilizar tanto agregado graúdo natural quanto britado nas composições dos concretos. Os agregados naturais não possuem ângulos e são geralmente arredondados, isto acarreta um aumento de fluidez da pasta em função do menor atrito entre as particulas do agregado, como exemplo temos o seixo de rio. Já os agregados britados possuem menor fluidez devido ao travamento existente entre seus ângulos obtidos no processo de britagem. GEIKER [7] verificou que a fração, tamanho, forma e a textura são importantes quando se objetiva avaliar a fluidez e a capacidade de preenchimento do concreto. Porém a rugosidade agregado é diretamente proporcional à tensão de aderencia na interface entre o agregado e a argamassa [8].

Em algumas regiões do Brasil utiliza-se o seixo rolado, oriundo do leito de rios, como agregado graúdo em concretos devido a sua alta disponibilidade e ao elevado custo dos agregados britados que precisam ser importados de outras regiões. Neste trabalho verifica-se a influência do seixo rolado e do agregado britado no comportamento reológico de concretos autoadensáveis utilizando-se o reômetro BTRHEOM e métodos de ensaios para concretos auto-adensáveis preconizados pela ABNT (abatimento, espalhamento, caixa L, funil V, anel J, coluna de segregação) e teor de ar aprisionado. Além disso verifica-se a influência desses tipos de agregados no comportamento mecânico (tração direta, compressão uniaxial e flexão) do CAA.

2.- PROGRAMA EXPERIMENTAL

As matrizes foram produzidas utiliando como agregado graúdo, brita de granito e seixo de rio (G1) ambos com diâmetro máximo 13,2 mm, como agregado miúdo (S1) areia lavada de rio tipo quartizosa com diâmetro máximo de 2,36 mm, cimento CP V-ARI-RS Lafarge (C), cinza volante Pozo Fly (CV) , sílica ativa Silmix (SA), superplastificante

Glenium 51 (SP) Basf, modificador de viscosidade Rheomac UW 410 (VMA) Basf e água potável da concessionária local. As características físicas dos agregados miúdos e graúdos encontram-se descritos, respectivamente, nas Quadros 1 e 2.

Quadro 1. Caracterização do agregado miúdo

Ensaios realizados Resultados

Dimensão máxima característica (mm) 2,4

Módulo de Finura 2,6

Massa Específica (g/cm3) 2,7

Absorção (%) 1,0

Material pulverulento (%) 0,5

Quadro 2. Caracterização dos agregados graúdos

Ensaios realizados Resultados

Brita Seixo SP Dimensão máxima característica (mm) 13,2 13,2

Módulo de Finura 6,6 6,6

Massa específica (g/cm3) 2,6 2,6

Absorção (%) 0,7 0,1

Material pulverulento (%) 0,8 0,1

Índice de forma 2,4 1,8

Resistência à compressão da rocha (MPa) 125,0 298,4 Módulo de elasticidade da rocha (GPa) 61,9 100,1

Quadro 3.Composição das matrizes estudadas

Composição CB CSP (G1) (kg/m³) 572,7 572,7 (S1) (kg/m³) 1011,3 1011,3 (C) (kg/m³) 330,0 330,0 (CV) (kg/m³) 154,0 154,0 (SA) (kg/m³) 39,6 39,6 (SP) (kg/m³) 27,6 27,6 (VMA) (kg/m³) 0,1 0,1 Água (kg/m³) 154,0 154,0 G1 (%) 35,6 35,6 S1 (%) 64,4 64,4 Teor de SP (%) 2,4 2,4 Relação G/S 0,57 0,57 a/c 0,52 0,52

Foram produzidas duas matrizes de concretos auto-adensáveis, variando apenas o tipo de agregado graúdo. A relação água/cimento para todas as misturas foi mantida constante em 0,52 e o teor de superplastificante foi alterado conforme a reológia de cada matriz. A Quadro 3. apresenta a composicao das misturas estudadas. Dessa forma as matrizes foram classificadas da seguinte forma: CB: Concreto contendo brita,CSP: Concreto contendo seixo do rio Paraná (SP). Os concretos foram dosados pelo método

do Empacotamento Compressível (MEC) proposto DE LARRARD [5] utilizando-se o programa BetonLabPro2. Os concretos foram produzidos em misturador de eixo vertical planetário marca CIBI.

2.1.- Ensaios reológicos

Os ensaios reológicos foram realizados segundo a norma NBR15823-1[4] e o teor de ar incorporado foi determinado pelo método pressiométrico, de acordo com NBR NM 47 [10]. Ensaios reológicos foram realizados para determinação da tensão de escoamento e viscosidade plástica atravéz do uso do reômetro BTRHEOM.

2.2.- Ensaios mecânicos

A resistencia à compressão uniaxial dos concretos foi determinada segundo a NBR 5739 [11], a resistência à tração na flexão foi determinada de acordo com a NBR NM 55[12] . Os ensaio de resistência a tração foram executados uilizando-se amostras prismáticas de dimensões 100 x 100 x 400 mm segundo LIMA [13] adaptado por VELASCO [14]. O módulo de elasticidade dos corpos de prova foram calculados a partir das curvas tensão-deformação obtidas no ensaio de compressão de acordo com a ASTM C-469 [15]. Três ensaios foram executados aos 28 dias de idade para cada mistura.

3.- APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS 3.1.- Abatimento, espalhamento, t500 e ar aprisionado

A Quadro 4 apresenta os resultados dos ensaios abatimento, espalhamento no tronco de cone, espalhamento no tronco de cone invertido, t500 e ar aprisionado

Os resultados apresentados no quadro 4 indicam que tanto o abatimento quanto o espalhamento com o tronco de cone e espalhamento com o tronco de cone invertido do concreto confeccionado com seixo rolado são maiores que os observados para o concreto produzido com brita (acréscimos variando de 4 – 17%). Com relação aos valores de t500 e teor de ar aprisionado, reduções de 27% e 7%, respectivamente, são observadas quando se usa o seixo em substituicao à brita.

Quadro 4. Resultados dos ensaios de abatimento, espalhamento no tronco de cone, espalhamento no tronco decone invertido, t500 e ar aprisionado Concreto s Abatiment o [mm] Espalhamento no tronco de cone [mm] Espalhamento no tronco de cone invertido [mm] t500 [s] Ar aprisionado [%] CB 270 590 600 5,9 4,5 CSP 280 690 695 4,3 4,2

3.2.- Anel "J", caixa "L", funil "V" e coluna de segregação

A Quadro 5 apresenta os resultados dos ensaios para Anel "J", caixa "L", Funil "V" e coluna de segregação.

Os resultados obtidos para o anel "J" também indicam a maior fluidez da mistura com seixo rolado (aumento de cerca de 16% no valor do diâmetro final ). Os resultados do ensaio da caixa “L” indicam que o concreto CSP obteve valores para uma relação H2/H1 entre 0,9 e 1 para as três situações estudadas (presença de uma, duas e três barras no molde). No caso do concreto CB, observou-se obstrução quando três barras foram utilizadas e relações H2/H1 de 0,9 e 0,8 quando uma e duas barras foram utilizadas. Os valores de tempo de fluidez do funil “V” para o CSP foi cerca de 37% menor do que o observado para a matriz CB. Na coluna de segregação o concreto CSP apresentou um potencial de segragação bem maior que o mostrado pela mistura CB embora dentro dos limites estabelecidos pela norma brasileira (que é de 19,1%).

Quadro 5. Resultado dos ensaios de Anel "J", caixa "L", Funil "V" e coluna de segregação

Concretos

Anel"J" Caixa "L" Funil"V" Coluna de segregação Dfinal [mm] PJ [mm] H2/H1 [mm] V (s) [%]

1 barra 2 barras 3barras

CB 570 20 0,9 0,8 Obstrução 15,9 3,5

CSP 680 10 1 1 0,9 10,5 19,1

3.3.- Comportamento Reológico utilizando o Reômetro BTRHOM

A Figura1 mostra os valores de torque x velocidade de rotação para os concretos produzidos com brita e seixo rolado. Os valores encontrados para a tensão de escoamento e viscosidade plástica estão apresentados no quadros 6

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 CB CSP Ajuste linear T o rque (Nm) Velocidade de rotação (rps)

Figura 1. Relação entre o torque e velocidade de rotação dos concretos produzidos

Os resultados obtidos indicam que ambos os concretos apresentam valores de tensão de escoamento e viscosidade plástica típicos dos CAA (DE LARRAD [5]. No entanto a mistura contendo seixo apresenta valores para ambos os parâmetros bem inferiores aos observados para a mistura com agregado britado. O modelo de Bingham mostrou-se bastante adequado aos dois concretos estudados (correlacão R2 de 0,99 e 0,95 respectivamente para o CB e CSP).

Quadro 6. Resultados da Tensão de Escoamento e Viscosidade Plástica dos concretos produzidos

Concretos Tensão de escoamento [Pa] Viscosidade plástica [Pa.s]

CB 237 104

CSP 133 69

3.4.- Resistência à Compressão

A Figura 2 mostra curvas típicas tensão x deformação para o CB e CSP. A Quadro 7 apresenta os valores médios e o coeficiente de variação (CV) de resistencia à compressão (fc), deformação axial (a) e módulo de elasticidade (Ecomp). Observa-se que a mistura contendo brita apresentou resistência à compressão média de 60,2 MPa enquanto que a mistura contendo seixo apresentou resistencia de 51,1 MPa. (redução de cerca de 15%). 0 1000 2000 3000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 CB Te nsão ( M Pa ) Deformação () (a) Matriz CB 0 1000 2000 3000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 CSP Te nsã o (MPa ) Deformação () (b) Matriz CSP Figura 2. Curvas típicas tensão x deformação à compressão das

matrizes aos 28 dias de idade

O módulo de elasticidade do CSP foi, por sua vez, cerca de 11% maior que o observado para o concreto CB. A maior diferença, no entanto, é observada na deformação correspondente à tensão de ruptura, já que a presença do seixo rolado reduziu a deformação axial de pico do CB em cerca de 32%. Tal comportamento pode estar associado tanto com a maior rigidez do seixo rolado (ver Quadro 2), que pode provocar uma maior concentracao de tensoes, quanto da menor aderência desse tipo de agregado à

matriz de cimento já que o mesmo é mais liso e tem menor absorção de água (ver Quadro 2) que o agregado britado. A curva tensão-deformação do concreto CSP também apresenta um trecho linear elástico mais pronunciado que a do concreto CB (relação tensão de primeira fissura/tensão de ruptura de 0,60 para o CSP e de 0,54 para o CB).

Quadro 7. Resultados de Resistência à Compressão, módulo de elasticidade e deformação axial dos concretos com brita (CB) e seixo

rolado (CSP) aos 28 dias de idade

Misturas Resistência à Compressão [MPa] Deformação Axial – Tensão de máxima [] Módulo de Elasticidade [GPa] fc CV (%) a CV (%) Ecomp CV (%) CB 60,2 2,2 2352,9 6,4 32,3 0,8 CSP 51,1 1,4 1596,1 5,2 36,3 2,8

3.5.- Resistência à Tração Direta

A Figura 3 mostra as curvas típicas de tensão x deformação para os concretos CB e CSP. A Quadro 8 apresenta os valores médios e o coeficiente de variação (CV) da resistência à tração (ft) e da deformação na ruptura rup) para os concretos CB e CSP. Verifica-se que a tensão de ruptura da matriz CB foi cerca de 16% maior que a da mistura CSP, enquanto que a deformação de pico da mistura CB foi cerca de 20% maior que a da mistura CSP. Uma maior rigidez (inclinação da curva tensão-deformação) é observada para a mistura contendo seixo, comportamento similar ao observado na compressão uniaxial. A relação resistência à tração direta/resistência à compressão foi de cerca de 5% para as duas misturas estudadas.

0 100 200 0 1 2 3 4 5 CB Te n sã o ( M P a ) Deformação () (a) Matriz CB 0 100 200 0 1 2 3 4 5 CSP Te n sã o ( M Pa ) Deformação () (b) Matriz CSP

Figura 3. Curva média de tensão x deformação à tração das matrizes com seixo rolado aos 28 dias

Quadro 8. Comportamento de resistência à tração aos 28 dias dos concretos com brita (CB) e seixo rolado (SP)

Concretos

Resistência à Tração Ruptura

Carga [kN] CV [%] ft [MPa] CV [%] 



CB 10,9 11,3 3,1 11,3 105,6 6,0

CSP 9,1 5,8 2,6 5,8 84,4 18,1

3.6.- Comportamento da Resistência à Tração na Flexão

As curvas carga-deslocamento para os concretos contendo brita e seixo são apresentados na Fig. 4.A Quadro 9 apresenta os valores médios e o coeficiente de variação (CV) para o módulo de ruptura (ff) e deslocamento na ruptura (rup) obtidos para os concretos CB e CSP. Observa-se que a carga de ruptura do CB foi cerca de 9% maior que para o CSP enquanto que o deslocamento na ruptura do CB foi 20% maior do CSP. Esse comportamento guarda similiridade com os observados sob cargas de compressao uniaxial e tração direta, indicando que a mistura com seixo rolado apresenta menor capacidade de deformação que o concreto com britado. A relação entre a resistência à tração na flexão e à tração direta foi de 2,9 e 3,1 para as misturas CB e CSP, respectivamente. 0,00 0,05 0,10 0 5 10 15 20 25 30 35 CB C a rga (kN) Deslocamento (mm) (a) Matriz CB 0,00 0,05 0,10 0 5 10 15 20 25 30 35 CSP Ca rg a (k N) Deslocamento (mm) (b) Matriz CSP Figura 4. Curvas médias tensão x deformação à Tração na Flexão

Quadro 9. Resistência à flexão aos 28 dias: carga e deslocamento na ruptura dos concretos com brita (CB) e seixo rolado (CSP)

Misturas

Carga de ruptura Deslocamento na ruptura

ff ff CV   CV

kN [Mpa] [%] mm]  [%]

CB 29,7 8,9 0,6 0,05 482,7 5,8

CSP 27,1 8,1 7 0,04 439,5 6,1

3.- CONCLUSÕES

A dosagem pelo Método do Empacotamento Compressível (MEC), utilizando o programa BetonLab Pro 2, mostrou-se adequado e de fácil aplicação para produção dos concretos, possibilitando uma rápida e eficaz otimização nos ajustes do esqueleto granular e materiais componentes da mistura. O concreto produzido com seixo rolado apresentou melhor performance se comparado com o concreto confeccionado com brita nos ensaios reológicos, isto se deve à forma e textura do agregado. Os valores obtidos para a tensão de escoamento e viscosidade plástica foram mais elevados para o concreto confeccionado com brita que o concreto confeccionado com seixo rolado. Em relação ao ensaio de compressão, os valores de resistência foram maiores para o CB . Entretanto, no o ensaio de tração direta, a mistura CSP obteve maior rigidez que o CB. Os resultados dos ensaios para tração na flexão foram similares ao comportamento na compressao uniaxial e tração direta, isso indica que a mistura com seixo rolado apresenta uma menor capacidade de deformação que o concreto com agregado britado. Portanto, é possível produzir concreto auto-adensável com agregados regionais utilizando o seixo rolado e atingir resistência à compressão superior a 50 MPa, sem a necessidade de promover alterações nas características físicas do agregado.

AGRADECIMENTOS

Ao CNPq pelo auxílio financeiro na pesquisa, ao LabEST pela disponibilização dos equipamentos para os ensaios, Poso Fly Comércio de Cinzas Lima Ltda. pela doação da cinza volante, Dow Corning Metais do Pará pela doação da sílica ativa.

REFERÊNCIAS

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[12] ABNT – NBR NM 55. - Concreto – Determinação da resistência à tração na flexão de corpos-de-prova Prismáticos. Associação Brasileira de Normas Técnicas. 5p. 1996

[13] LIMA, P. R. - Análise teórica e experimental de compósitos reforçados com fibras de sisal. Brasil: Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2004. 263p. Tese de doutorado, COPPE/UFRJ.

[14] VELASCO, R. - Concretos Autoaden sáveis Reforçados com Elevadas Frações Volumétricas de Fibras de Aço: Propriedades Reológicas, Físicas, Mecânicas e Térmicas. Brasil: Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2008. 349p. Tese de Doutorado, COPPE/UFRJ.

[15] ASTM C 469. - Standard Test Method for Static Modulus of Elasticity and Poisson’s Ratio of Concrete in Compression, Annual Book of ASTM Standards. Philadelphia. 5p. 2000