Avaliação Experimental de Concretos Submetidos à Ação das Altas
Temperaturas através de Ensaios Destrutivos e Ensaios Não
Destrutivos
Experimental Evaluation of Concrete Subjected to the Action of High Temperatures through Destructive Testing and Non Destructive Testing
Jacinto Manuel Antunes de Almeida (1); Maurice Ainon (2); Luiz Carlos Pinto da Silva Filho (3) (1) Doutorando (a), PPGEC, Universidade Federal do Rio Grande do Sul
e-mail: jass_carnival@hotmail.com
(2) Graduando, DECIV, Universidade Federal do Rio Grande do Sul e-mail: am.amauri@yahoo.fr
(3) Professor Doutor em Engenharia Civil, PPGEC, Universidade Federal do Rio Grande do Sul e-mail: lcarlos66@gmail.com
Resumo
Na bibliografia especializada, os resultados de diversos ensaios de concretos com cinzas têm mostrado a potencialidade de alguns materiais alternativos para aumentar o desempenho das estruturas de concreto armado, em condições normais, quer em relação à durabilidade, quer em relação à resistência. Mas sabe-se que o refinamento de poros associado ao uso de aglomerantes sabe-secundários pode influenciar no comportamento ao fogo. Este trabalho teve como objetivo comparar o desempenho entre concreto convencional e concreto não convencional, confecionado com substituição parcial de 20%, em volume, de cimento CPV-ARI por cinza de casca de arroz (CCA), ambos submetidos à ação das altas temperaturas de até 600⁰C. Foram testados, também, 2 tipos de resfriamento – lento, em temperatura ambiente, e rápido, por jateamento com água. Os corpos de prova foram submetidos a ensaio de resistência à compressão simples e de determinação do módulo estático de elasticidade. Complementarmente, foram realizados ensaios de velocidade de pulso de ultra-som para avaliar a microfissuração e tentar correlacionar a mesma com a perda de resistência. Os resultados mostram que a cinza de casca de arroz, aplicada como material alternativo, diminuiu o consumo de cimento e teve efeito positivo sobre a resistência à compressão do concreto submetido à ação das altas temperaturas. Foi possível observar uma correlação entre a velocidade de pulso ultra-sônico e a resistência à compressão e o módulo estático de elasticidade do concreto.
Palavra-Chave: Concreto, cinza de casca de arroz, incêndio, ensaios não destrutivos
Abstract
In the specialized literature, the results of several tests with concrete with ashes have shown the potential of some alternative materials to enhance the performance of reinforced concrete structures, under normal conditions, both in relation to durability, both in terms of resistance. But it is known that the pore refinement associated with the use of secondary binders can influence fire behaviour. This study aimed to compare the performance between conventional concrete and unconventional concrete made with partial replacement of 20%, by volume, of high-initial strength Portland cement by rice husk ash (RHA), both subject to the action of high temperatures up to 600 ⁰C. We also tested two types of cooling – slow, at room temperature, and fast, by water blasting. Destructive tests were performed to determine the compression strength and static modulus of elasticity of concrete in compression. In addition, ultrasonic pulse velocity tests were performed to evaluate the micro cracking and try to correlate the same with the loss of resistance. The results show that rice husk ash, applied as an alternative material, decreased consumption of cement and had a positive effect on compressive strength of concrete subjected to the action of high temperatures. It was observed a correlation between the ultrasonic pulse velocity and the compressive strength and the static modulus of elasticity of the concrete.
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Introdução
O Brasil é atualmente um dos maiores produtores mundiais de arroz, tendo o desafio ambiental de dar finalidade adequada à cinza proveniente da queima da casca. Na bibliografia especializada, os resultados de diversos ensaios de concretos com cinzas têm mostrado a potencialidade de alguns materiais alternativos para aumentar o desempenho das estruturas de concreto armado, em condições normais, quer em relação à durabilidade, quer em relação à resistência. No entanto, sabe-se que o refinamento de poros associado ao uso de aglomerantes secundários pode influenciar no comportamento ao fogo.
Os resultados obtidos por Chao-Lung, Anh-Tuan e Chun-Tsun (2011) mostram que a cinza de casca de arroz (CCA) pode ser aplicada como material pozolânico e tem efeito positivo sobre a resistência à compressão. Os resultados indicam que, até 20%, a CCA pode ser vantajosa em substituição parcial do cimento sem prejudicar a resistência e propriedades de durabilidade do concreto (TASHIMA et al., 2012).
As estruturas de concreto são reconhecidas pela boa resistência ao incêndio em virtude das características térmicas do material, tais como incombustibilidade e baixa condutividade térmica, o concreto não exalar gases tóxicos ao ser aquecido e as peças de concreto apresentarem maior massa e volume se comparados aos elementos metálicos (MEHTA & MONTEIRO, 1994). Entretanto, a deterioração do concreto, ao ser aquecido, manifesta-se na forma de rachaduras, estalos (pipocamentos) e até lascamentos. Esses últimos, podem ser explosivos ou não. A natureza polifásica do concreto (pasta, agregados, aço) conduz à degradação diferencial do concreto armado afetando as propriedades mecânicas por meio da redução na resistência e no módulo de elasticidade dos materiais; há perda de rigidez da estrutura podendo levar as peças estruturais à ruína (SILVA et al., 2002). Aos 200ºC a resistência residual do concreto varia entre 85% e 110% da resistência obtida à temperatura ambiente. Para valores de temperatura superiores, a resistência do concreto à compressão diminui de uma forma quase linear (BAZAN & KAPLAN, 1996). De acordo com Petrucci (1987), a redução da resistência à compressão do concreto submetido à temperatura da ordem de 600°C é de cerca de 50%. De acordo com Lima (2005), a maior perda para o módulo de elasticidade do concreto à compressão ocorre a partir dos 400°C. Segundo o autor, o processo de degradação do módulo é análogo ao da resistência à compressão, mas ocorre mais rapidamente.
Um fator que pode ser colocado como de grande influência no efeito de altas temperaturas nas propriedades mecânicas do concreto é a velocidade do resfriamento. A aplicação de água em um incêndio, por exemplo, equivale a um resfriamento brusco, causando uma grande redução de resistência devido aos intensos gradientes de temperatura que se originam no concreto (SOUZA & MORENO JR, 2010).
O ensaio de velocidade de pulso de ultrassom tem sido bastante utilizado enquanto técnica não destrutiva para o controlo de qualidade e inspeção de estruturas de concreto armado, de forma a obter uma estimativa da resistência à compressão axial do concreto. Com base na distância percorrida e no tempo transcorrido, é possível calcular a
velocidade de trânsito da onda sonora. Em um material que apresente descontinuidades internas, a propagação da onda é mais lenta que em um material mais íntegro (TORALLES-CARBONARI et al., 2010).
Dentro do âmbito da análise da durabilidade de estruturas de concreto armado e da promoção da sustentabilidade associada ao uso de concretos não convencionais, este trabalho teve como objetivo principal comparar o desempenho entre concreto convencional e concreto não convencional, confecionado com substituição parcial de cinza de casca de arroz, ambos submetidos à ação das altas temperaturas. Complementarmente, pretendeu-se avaliar a microfissuração decorrente do processo de degradação dos concretos e tentar correlacionar a mesma com a perda de resistência através de ensaios não destrutivos de velocidade de pulso de ultra-som.
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Materiais e Métodos
Neste capítulo é apresentado o programa experimental deste trabalho com a descrição das principais características dos materiais e dos métodos utilizados.
2.1 Matriz Experimental
Definiu-se a dosagem dos concretos com base num traço convencional utilizado na confeção de postes de concreto armado para distribuição de rede elétrica. No âmbito da durabilidade e sustentabilidade de estruturas de concreto armado, comparou-se o concreto convencional com um concreto não convencional com substituição, em volume, de 20% de cimento CPV-ARI por cinza de casca de arroz (CCA). Foram escolhidos 4 patamares de temperatura, nomeadamente, 23°C (temperatura ambiente), 200°C, 400°C e 600°C. Para o patamar de 200°C, foram previstos 2 tipos de resfriamento – resfriamento lento, em temperatura ambiente, e resfriamento rápido, por jateamento com água. Os patamares de temperatura foram estabelecidos de acordo com a literatura especializada. A temperatura escolhida para a aplicação do resfriamento rápido foi condicionada por questões de segurança nos ensaios. A tabela 1 resume a matriz experimental.
Tabela 1 – Matriz experimental.
Variáveis Temperaturas de
exposição Resfriamentos Ensaios Concretos
Tipo de Concreto Resfriamento fc Ec Velocidade ultra-som 23 °C 200 °C 400 °C 600 °C Lento (temperatura ambiente) Rápido (jateamento de água) Não Destrutivos (Velocidade de ultra-som) Destrutivos (Compressão; Módulo de elasticidade) Convencional (sem substituição) Com 20% de substituição de CCA (em volume) Amostras
40 CPs cilíndricos 100x200 mm + Cura submersa (28 dias) + 6 meses estabilização em ambiente controlado (T=23ºC; H=50%)
2.2 Materiais
Neste trabalho, foi utilizado cimento CPV-ARI. A tabela 2 apresenta resumidamente a caracterização física e química do cimento empregue.
Tabela 2 - Caracterização física e química do cimento CPV-ARI.
Características Resultados Exigência
da norma BR Finura Blaine (cm²/g) 4401 ≥ 3000 NM 76/98 Tempo de pega NM 65/02 Início (min) 140 ≥ 60 Término (min) 187 ≤600 Massa Específica (g/cm³) 3,15 - NM 23/01 Perda ao Fogo (%) 2,56 ≤4,5 NM 18/04 Diâmetro médio (µm) 11,06
A tabela 3 apresenta resumidamente a caracterização física e química da cinza de casca de arroz (CCA), obtida a partir de queima controlada, utilizada na substituição parcial de cimento.
Tabela 3 - Caracterização física e química da CCA.
Características Resultados BR
IAP (%) 75 5752/12
Massa Específica (g/cm³) 2,05 NM 23/01
Perda ao Fogo (%) 3,05 NM 18/04
Diâmetro médio (µm) 7,91
A tabela 4 apresenta as características físicas da areia quartzosa natural, com distribuição granulométrica contínua, utilizada na concretagem das amostras.
Tabela 4 - Caracterização física do agregado miúdo.
Abertura da peneira (mm) % retido % retido acumulado
6,3 0,00 0,00 4,75 0,15 0,15 2,36 3,84 3,99 1,18 9,96 13,94 0,6 29,88 43,82 0,3 45,25 89,07 0,15 0,13 89,21 Fundo 10,79 100
Diâmetro máximo característico = 2,36 Módulo de finura = 2,40
Massa específica = 2,52 g/cm³
A tabela 5 apresenta as principais características físicas da brita 1 de origem basáltica, utilizada nas concretagens.
Tabela 5 - Caracterização física do agregado graúdo.
Abertura da peneira (mm) % retido % retido acumulado
25 0,00 0,00 19 4,80 4,80 12,5 75,70 80,40 9,5 18,90 99,30 6,3 0,70 100 4,75 0 100 2,36 0 100 Fundo 0 100
Diâmetro máximo característico = 19 Módulo de finura = 7,04
Massa específica = 2,93 g/cm³
A água utilizada na dosagem dos concretos foi proveniente da rede de abastecimento pública da cidade de Porto Alegre (RS).
2.3 Metodologia
Foram moldados 20 corpos de prova cilíndricos de 100x200 mm para cada tipo de concreto, de acordo com a NBR 5738 (ABNT, 2003). Na dosagem, foi fixada uma relação água/aglomerante em 0,55 para fck ≥ 35 Mpa. Para o concreto convencional foi utilizado
um traço em massa de 1:0,00:2,04:2,89, com consumo de cimento de 379 Kg/m3. Para o concreto não convencional, com 20% de substituição de CCA, se utilizou um traço em massa de 0,84:0,16:2,55:3,61. Com este traço reduziu-se o consumo de cimento para 316 kg/m3. O traço de concreto convencional garantiu um abatimento de cone de 200 ± 10 mm, obtido de acordo com a NBR NM 67 (ABNT, 1998), e o traço de concreto não convencional garantiu um abatimento de 160 ± 10 mm. Os corpos de prova foram desmoldados 24 horas após a concretagem e colocados em cura submersa, em água e cal, durante 27 dias. Após o período de cura, colocaram-se as amostras de concreto em ambiente com temperatura e umidade controladas, respectivamente de 23°C e 50%, durante um período de 6 meses, para estabilização da resistência. Após este período, as amostras foram submetidas à ação das altas temperaturas de até 600°C utilizando um forno elétrico computadorizado, modelo Sanchis DTT, aplicando uma taxa de aquecimento de 27,4°C/min. Atingida a temperatura final, os corpos de prova permaneceram nesta condição por período de tempo correspondente a 30 minutos e, ao final deste período, foram resfriados. As amostras foram pesadas antes e após a ação das altas temperaturas para avaliação da perda de massa. Após o resfriamento, foram realizados ensaios de velocidade de pulso de som, com recurso a aparelho ultra-sônico modelo James V-Meter Mark II, para avaliar a microfissuração e tentar correlacionar a mesma com a perda de resistência dos concretos. Imediatamente após a realização do ensaio não destrutivo, as amostras foram submetidas a ensaio de resistência à compressão simples, de acordo com as especificações da NBR 5739 (ABNT, 2007), e de determinação do módulo estático de elasticidade à compressão simples, seguindo as especificações NBR 8522 (ABNT, 2008). Inicialmente, os corpos de prova foram instrumentados com 2 transdutores de deslocamento do tipo Linear Variable
diretamente sob o prato inferior da prensa, modelo Shimadzu UH–I, centrado em relação ao eixo de carregamento. Foi aplicada carga de compressão à velocidade constante de 0,45 ± 0,15 MPa/sec até à ruptura, e as medições, quer da carga, quer da deformação específica, foram registradas no software Trapezium 2. Os ensaios foram realizados no Laboratório de Ensaios e Modelos Estruturais da UFRGS (LEME).
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Análise e Discussão de Resultados
A tabela 6 resume os valores residuais obtidos experimentalmente para a resistência média à compressão simples, fcm, e para o módulo estático de elasticidade, Ecm, para o
concreto convencional submetido à ação das altas temperaturas.
Tabela 6 - Valores residuais para o concreto convencional aquecido e resfriado lentamente. Temperatura (°C) Resistência à compressão (%) Módulo de elasticidade (%) Massa (%) 23 100,0 100,0 100,0 200 98,5 97,1 99,7 400 75,5 67,9 97,0 600 52,9 19,9 93,7
A determinação do módulo de elasticidade tangente inicial, Eci, foi feita a partir dos valores
de tensão e deformação específica obtidos nos ensaios, com base na NBR 8522, considerando o módulo elástico cordal entre 0,5 MPa e 0,3 fc, conforme a equação 1:
a b b ci E
ε
ε
σ
− − = 0,5 (Equação 1) Com:σb = tensão de ensaio, correspondente a 30% de fc
εa = deformação específica correspondente a σa igual a 0,5 MPa
εb = deformação específica correspondente a σb
A tabela 7 mostra os valores residuais obtidos experimentalmente para a resistência média à compressão simples, fcm, e para o módulo estático de elasticidade, Ecm, para o
caso do concreto não convencional, confecionado com 20% de substituição de CCA, submetido à ação das altas temperaturas.
Tabela 7 - Valores residuais para o concreto não convencional aquecido e resfriado lentamente. Temperatura (°C) Resistência à compressão (%) Módulo de elasticidade (%) Massa (%) 23 100,0 100,0 100,0 200 95,1 94,8 99,7 400 81,1 63,6 97,3 600 50,9 14,9 93,0
A tabela 8 compara os valores reduzidos obtidos experimentalmente e os valores reduzidos de projeto recomendados pela NBR 15200 (ABNT, 2012), para concreto em situação de incêndio, preparado com agregado predominantemente silicoso.
Tabela 8 - Valores reduzidos experimentais e de projeto de acordo com a NBR 15200.
Temperaturaθ
(°C)
Concreto convencional Concreto com CCA BR 15200:2012
fcj,θ/fcj Ecj,θ/Ecj fcj,θ/fcj Ecj,θ/Ecj fc,θ/fck Ec,θ/Ec
23 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000
200 0,985 0,971 0,951 0,948 0,950 0,900
400 0,755 0,679 0,811 0,636 0,750 0,560
600 0,529 0,199 0,509 0,149 0,450 0,200
Na tabela 8 é possível observar que, de forma geral, os valores experimentais se aproximaram dos valores de projeto, no entanto, convém salientar que, para ambos os tipos de concreto, o módulo estático de elasticidade obtido experimentalmente nos 600°C foi inferior ao valor reduzido de projeto, com destaque para o concreto com CCA, 25,5% inferior.
A fim de avaliar a significância das variáveis propostas no trabalho, foi realizada uma análise de variância entre grupos (ANOVA), no software STATISTIC 7.0. Considerou-se a relação entre variáveis como sendo significativa estatisticamente para valores de p-value inferiores a 0,05. A figura 1 permite identificar a diferença entre o concreto convencional e o concreto confecionado com substituição de CCA, relativamente à influência da temperatura na resistência à compressão simples.
F(6, 12)=28,725, p=,00000 Vertical bars denote 0,95 confidence intervals
23 200 400 600 Temperatura (ºC) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 R e s is tê n c ia à c o m p re s s ã o ( M P a ) Concreto convencional Com substituição 20% CCA
Na situação padrão, à temperatura ambiente, a substituição com 20% de CCA conferiu um ganho na resistência à compressão simples de 31%. O concreto com substituição de CCA obteve resistência superior ao concreto convencional em todos os patamares de temperatura ensaiados. Para a temperatura de 200°C o concreto convencional praticamente manteve a sua resistência padrão. No patamar de 400°C a redução da resistência ocorreu de forma análoga para os dois concretos. Por outro lado, no patamar de 600°C o decréscimo na resistência à compressão do concreto com substituição de CCA foi superior à redução observada no concreto convencional. Neste patamar de temperatura, ambos os concretos apresentaram uma resistência residual ligeiramente superior a 50%. As variáveis temperatura de exposição e substituição mineral foram significativas na variável resposta: resistência à compressão simples.
Na figura 2 é possível identificar a diferença entre o concreto convencional e o concreto confecionado com 20% substituição de CCA, relativamente à influência da temperatura no módulo estático de elasticidade do concreto à compressão simples.
F(6, 14)=43,846, p=,00000 Vertical bars denote 0,95 confidence intervals
23 200 400 600 Temperatura (ºC) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 M ó d u lo d e e la s ti c id a d e ( G P a ) Concreto convencional Com substituição 20% CCA
Figura 2 – Influência da temperatura x substituição mineral no módulo estático de elasticidade.
A substituição com 20% de CCA conferiu um ganho no módulo de elasticidade padrão do concreto à compressão simples de 13,6%. A redução do módulo de elasticidade com o aumento de temperatura ocorreu de forma mais acentuada nos dois concretos, comparativamente à redução observada na resistência. Para o patamar de 600°C o módulo de elasticidade do concreto com substituição de CCA foi inferior ao do concreto convencional, com valores residuais respectivamente de 14,9% e 19,9% relativamente ao módulo padrão. As variáveis temperatura de exposição e substituição mineral foram significativas na variável resposta: módulo estático de elasticidade à compressão.
A figura 3 compara o resfriamento lento, na temperatura ambiente, com o resfriamento rápido, com jateamento de água, para o concreto convencional. É possível observar que no resfriamento brusco houve uma redução na resistência à compressão do concreto de cerca de 7% relativamente ao resfriamento lento. No entanto, a variável resfriamento não teve influência significativa na resistência à compressão, com valor p-value de 0,0771.
Current effect: F(1, 2)=11,490, p=,07710 Vertical bars denote 0,95 confidence intervals
Brusco Lento Resfriamento 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 R e s is tê n c ia à c o m p re s s ã o ( M P a )
Figura 3 – Influência do resfriamento na resistência à compressão simples do concreto convencional.
A figura 4 compara o resfriamento lento com o resfriamento rápido para o concreto com 20% de substituição de CCA. É possível observar que no resfriamento lento a resistência foi ligeiramente inferior, cerca de 3%. No entanto, a variável resfriamento não teve influência significativa na resistência à compressão, com valor p-value de 0,38468.
Current effect: F(1, 4)=,95102, p=,38468 Vertical bars denote 0,95 confidence intervals
Brusco Lento Resfriamento 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 R e s is tê n c ia à c o m p re s s ã o ( M P a )
Durante o processo de resfriamento rápido, observou-se que a vazão no jateamento com água foi relativamente baixa. Isto poderá explicar os resultados obtidos para a variável resfriamento, que, ao contrário do que era esperado, não teve influência significativa nos resultados experimentais.
Por último, procurou-se correlacionar a velocidade de pulso de ultra-som com a degradação das propriedades mecânicas dos concretos, determinada através dos ensaios destrutivos. As figuras 5, 6 e 7 comparam os resultados experimentais entre velocidade, V, resistência à compressão, fc, e módulo de elasticidade, Ec.
y = 74,22x + 884,4 R² = 0,719 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 20 40 60 80 V e lo c id a d e ( m /s ) fc (MPa)
y = 72,93x + 2061, R² = 0,916 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 20 40 60 V e lo c id a d e ( m /s ) Ec (GPa)
Figura 5 – Relação para todos os concretos entre velocidade e (a) resistência à compressão simples (b) módulo estático de elasticidade.
y = 108,2x + 96,23 R² = 0,874 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 20 40 60 80 V e lo c id a d e ( m /s ) fc (MPa)
y = 80,21x + 1927, R² = 0,935 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 20 40 60 V e lo c id a d e ( m /s ) Ec (GPa)
Figura 6 – Relação para o concreto convencional entre velocidade e (a) resistência à compressão simples (b) módulo estático de elasticidade.
y = 92,58x - 353,9 R² = 0,961 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 20 40 60 80 V e lo c id a d e ( m /s ) fc (MPa)
y = 69,07x + 2118, R² = 0,914 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 20 40 60 V e lo c id a d e ( m /s ) Ec (GPa)
Figura 7 – Relação para o concreto não convencional entre velocidade e (a) resistência à compressão simples (b) módulo estático de elasticidade.
Em todos os casos, foi possível observar o aumento da velocidade com o aumento da resistência e do módulo de elasticidade. Foi possível observar, também, que a correlação entre a velocidade e as propriedades mecânicas dos concretos melhora se os resultados forem analisados separadamente para cada tipo de concreto. Destacam-se os resultados entre velocidade e módulo de elasticidade para o caso do concreto convencional com r2 de 0,935. Para o concreto não convencional destaca-se a melhor correlação entre velocidade e resistência à compressão, com r2 de 0,961.
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Conclusões
Após a análise dos resultados é possível concluir:
a) Os resultados experimentais mostram que a cinza de casca de arroz (CCA), aplicada como material alternativo, diminuiu o consumo de cimento e, em todos os patamares de temperatura testados, teve efeito positivo sobre a resistência do concreto à compressão simples;
b) Na temperatura mais severa de exposição, 600°C, a redução da resistência à compressão simples, em ambos os concretos, foi de aproximadamente 50% em relação à resistência obtida na temperatura ambiente; o módulo estático de elasticidade residual mínimo foi inferior a 20% do valor do módulo padrão, quer para o concreto convencional, quer para o concreto não convencional;
c) A degradação das propriedades mecânicas do concreto com CCA foi mais acentuada do que a degradação observada no concreto convencional; por outro lado, a redução do módulo estático de elasticidade ocorreu de forma mais acentuada, comparativamente à redução observada na resistência à compressão;
d) De forma geral, os valores experimentais foram próximos aos valores reduzidos de projeto recomendados pela NBR 15200; no entanto, no patamar de 600°C o módulo estático de elasticidade obtido experimentalmente, em ambos os concretos, foi inferior ao valor reduzido proposto na norma brasileira, com destaque para o concreto não convencional com CCA;
e) Foi possível observar nos resultados experimentais o aumento da velocidade de pulso ultra-sônico com o aumento da resistência e do módulo de elasticidade; a correlação entre a velocidade e as propriedades mecânicas melhora se os resultados forem analisados separadamente para cada tipo de concreto.
De forma geral, os resultados obtidos experimentalmente foram coerentes com estudos anteriores relativos ao tema pesquisado.
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