Simpósio: Desempenho Térmico de Sistemas Construtivos Alternativos
06, 07 e 08 de Agosto de 2003 – Natal – RN
DETERMINAÇÃO DA MASSA ESPECÍFICA
DE SISTEMA CONSTRUTIVO COM AGREGADO DE EPS
Determination of the specific mass of constructive system with
aggregate of EPS (expanded polystyrene)
Luciana Maia Coelho
Clemax Vanderlan Dantas de Oliveira José Ubiragi de Lima Mendes
George Santos Marinho
Departamento de Engenharia Mecânica – CT – UFRN Campus Universitário – Lagoa Nova Natal/RN – CEP: 59072-970
ABSTRACT
The specific mass “ρ” (kg/m3) is an important parameter to the research of alternative
material to the civil construction. When the research concerns with the effect of the direct solar radiation that reaches the opaque envelop of the buildings, the determination of “ρ” has a vital importance: it allows to determine the thermal diffusivity “α = k/ρ.cp” (m2/s), a
indispensable parameter to the study of the thermal comfort inside the habitations. The measurement of “ρ” requires special considerations that concern about the state of the material. When considering a solid material, one of the more common techniques is the Le
Chatelier method. However, that method does not work when the solid material (concrete
block) has flakes of EPS (expanded polystyrene) as aggregate. In the present work we describe the use of a technique to the determination of the specific mass of a alternative constructive element – light concrete block (sandwich of two plates of concrete with aggregate of EPS and a plate of EPS inside the core, i.e., between the plates of concrete); the technique was named “the water–paraffin method”.
RESUMO
Um sistema construtivo alternativo que permita reduzir os efeitos da carga térmica devido à radiação solar no espaço habitável deve, obrigatoriamente, apresentar desempenho térmico superior ao apresentado pelos sistemas construtivos convencionais. Um dos parâmetros utilizados na comparação de desempenhos térmicos de sistemas construtivos utilizados em fechamentos horizontais (coberturas) e verticais (paredes) é a difusividade térmica (α). Para determiná-la, são necessários três outros parâmetros termofísicos: coeficiente de condutividade térmica (k), calor específico (c) e densidade (ρ), sendo a relação entre eles dada por α = k / ρcp. Todos esses parâmetros apresentam
complexidades durante a determinação experimental. No caso específico da densidade, sua obtenção pode ser feita através de várias técnicas. Entretanto, quando se trata de materiais sólidos, o número de opções é restrito. Por exemplo, a determinação da densidade de um dado tipo de cimento, pode ser feita através do método de Le Chatelier. No entanto, o mesmo método não se aplicaria ao caso do concreto fabricado com flocos de EPS (poliestireno expandido). Fato semelhante ocorre quando são utilizados resíduos industriais para produzir compósitos de matriz cimentícia. No presente trabalho descreve-se o uso de uma técnica para determinação da densidade de um sistema construtivo do tipo concreto leve, formado por concreto de cimento Portland com agregado de EPS. A técnica baseia-se na determinação da massa específica, através do “método da
densidade aparente utilizando água e parafina”.
INTRODUÇÃO
De acordo com Mehta (1994), o concreto é um material resultante da mistura íntima e proporcionada de um aglomerante (cimento), agregados miúdos, agregados graúdos e água. É considerado o material mais importante na construção civil e possui várias aplicações além da estrutural, tais como: revestimento, pavimentos, paredes, canalizações, fundações, etc. Para que se possa aproveitar melhor as características do produto, faz-se necessário o conhecimento dos materiais que compõem o concreto.
Segundo Bauer (1994), a correta utilização do concreto de cimento Portland para cada tipo de aplicação depende do conhecimento das propriedades do concreto.
Determinadas propriedades são imprescindíveis para certos tipos de obras, porém são dispensáveis para outras. Por exemplo: a impermeabilidade do concreto é qualidade essencial para obras hidráulicas, porém não é tão importante nas estruturas de edifícios.
A determinação de propriedades físicas e químicas constitui tarefa primordial na pesquisa sobre materiais alternativos para produção de elementos construtivos, objeto de estudos desenvolvidos no Laboratório de Transferência de Calor (LTC) da UFRN.
Entre as propriedades dos materiais, a densidade (ρ) é um parâmetro imprescindível para determinação de várias outras grandezas, como por exemplo o coeficiente de difusividade térmica (α), dada matematicamente por:
α = k / ρ c (1)
onde: α - difusividade, m2/h k - condutividade térmica, W/m.K
cp - capacidade calorífica, J/Kg.K ρ - densidade Kg/m3
Concreto Leve
O concreto leve é composto basicamente de concreto convencional e EPS (poliestireno expandido), na forma de flocos, que substituem parte do material convencional. Desse modo, o peso do concreto é sensivelmente diminuído, tendo ainda uma boa resistência para usos não estruturais.
Devido ao baixo peso e a capacidade de isolamento térmico, o concreto leve permite uma economia no uso final da obra, pela redução do custo da estrutura, facilidade de manuseio, transporte, redução do tempo de obra e da energia consumida (http://www.planeta.terra, 17/04/03). A densidade aparente do concreto leve de EPS varia de acordo com as necessidades de aplicação, podendo ir de 400 a 1600 kg/m3.
Como praticamente não absorve água, o EPS permite uma ótima qualidade do concreto produzido e um acabamento de superfície homogêneo, possibilitando o seu uso in natura, mesmo exposto às intempéries. Na preparação da mistura de concreto leve, deve ser levada em conta a aplicação, onde a mistura deve ser feita preferencialmente em betoneira. Devido à sua reduzida densidade (numa placa de EPS, aproximadamente 98% é composto por ar), as pérolas flutuam em água. Para que isto não ocorra, deve ser utilizado um adesivo solúvel em água (por exemplo, cola branca de madeira).
Densidade
Existem dois tipos de densidades: aparente e absoluta. Na aparente são considerados os interstícios vazios do material em estudo, enquanto que na absoluta é necessário se eliminar o volume desses espaços, que de outra forma alterariam os resultados, já que o volume é um dos fatores levados em consideração na determinação da densidade.
Quando se trata de determinar densidades de materiais porosos, como concreto com EPS, considera-se a densidade aparente. Entretanto, descobriu-se que não existe nenhum método específico para tal. Assim, foi necessário adaptar os métodos existentes aos objetivos da pesquisa. Foram testados os seguintes métodos: picnômetria, Le
Chatelier e densidade aparente utilizando água e parafina. Dentre eles, esse último foi o
METODOLOGIA
Escolhido o método a ser utilizado (densidade aparente utilizando água e parafina), primeiramente se verificou a validade do mesmo utilizando para isto uma amostra de material com densidade conhecida (ρparafina= 910 Kg/m3) onde foi verificado que a
densidade calculada pelo método foi o esperado.
Em seguida, as amostras (concreto com agregados de EPS) foram preparadas e posteriormente medidas as suas densidades no Laboratório de Geoquímica/UFRN de forma a adquirir os parâmetros necessários para atender a eq. 5 (http://www.ceramicaindustrial, 05/03/03).
Densidade aparente utilizando água e parafina - nesse método a parafina serve
única e exclusivamente para impermeabilização das amostras, podendo assim ser imersa na água, sem que haja absorção do líquido.
O tempo de endurecimento da película de parafina é praticamente instantâneo. Impermeabilizando-os de forma a garantir que as amostras não irão absorver água durante o processo de determinação da densidade aparente.
Na figura 1, apresenta-se o balanço de forças atuantes na amostra submetida ao processo para determinação da densidade.
g . F P V F g . V . P F E P O H AP AP O H 2 2 ρ − = + ρ = + = (2)
Neste novo método, o volume aparente da amostra engloba o volume da amostra e o volume da parafina isolante, então:
Parafina O H AP O H Parafina AP V g . F P V g . F P V V 2 2 − ρ − = ρ − = + (3)
Sabendo que a densidade da parafina pode ser escrita como:
Parafina Parafina Parafina V m = ρ A equação fica: Parafina Parafina O H AP Parafina Parafina O H AP Parafina Parafina O H AP m ´ M V m g . g ´. M V m g . F P V 2 2 2 ρ − ρ = ρ − ρ = ρ − ρ − = ) 4 (
Temos então que a densidade aparente pode ser expressa como:
Substituindo na Equação (4), obtém-se: O H Parafina Parafina Parafina O H AP 2 2 . m ´. M . . m ρ − ρ ρ ρ = ρ (5)
Na eq. 5 considera-se a densidade aparente da amostra, onde:
ρAP = Densidade Aparente da amostra (kg/m3);
ρParafina = Densidade da parafina (g/cm3);
ρH2O = Densidade da água na temperatura do experimento (g/cm3);
m = Massa do bloco (g);
mParafina = Massa da parafina que impermeabilizou o suporte (g);
M´ = Massa de água deslocada pela amostra (g).
Procedimento de Preparação das Amostras
a) Foram cortados 3 amostras de cada tipo de cada bloco de concreto leve, com um
Fig.2 – Amostras preparados para impermeabilização
b) Foi montada uma bancada para o procedimento de impermeabilização das amostras (Fig. 3) composta por: capela, placa aquecedora, dois refratários de alumínio, Becker com água, Becker com parafina em flocos e tesoura tipo gancho.
Fig. 3 – Capela usada na impermeabilização das amostras
Fig. 4 – Procedimento para impermeabilizar as amostras
Procedimento de Pesagem das Amostras:
a) Montagem da bancada para pesagem das amostras. Primeiramente o sistema Becker com água destilada e o suporte de cobre, mergulhado até uma marcação, foram pesados (Fig. 5). Posteriormente a balança foi zerada, para que somente o peso de cada amostra sob a ação do empuxo fosse medido.
b) Cada amostra foi posta dentro do suporte de cobre (Fig. 6) e este conjunto foi mergulhado até a água tocar a marcação, então foi anotado o valor do peso das amostras sob a ação do empuxo;
Fig. 6 – Amostra dentro do suporte de cobre mergulhado na água.
Após a primeira medida a balança foi zerada novamente junto com o sistema (Becker com água destilada e o suporte de cobre, mergulhado até uma marcação), pois há perda de água a cada retirada do conjunto suporte de cobre e amostra.
RESULTADOS E ANÁLISES
Como não foi encontrado nenhum método especifico para a determinação da densidade de blocos de concreto leve, alguns métodos foram ajustados à situação, mas ocorreram alguns problemas que impossibilitaram o uso destes. Podendo-se citar em cada método:
a) Método da Picnômetria
Este método é utilizado para se determinar a densidade real dos solos através da equação 6, e requer boa técnica para precisão de resultados. As amostras em estudo foram trituradas e secas.
Neste caso este método foi descartado pois como o concreto possui EPS, que por sua vez tem densidade menor que a água, os flocos flutuavam na superfície e alguns destes flocos saiam através do orifício que existe na extremidade do picnômetro quando tampados.
Este fato interferia nos resultados pois os resultados não seriam reais, já que alguns flocos foram perdidos da amostra aumentando conseqüentemente a densidade da amostra. ) 2 3 ( ) 1 4 ( 1 2 P P P P P P Dt − − − − = (6) Onde:
Dt – densidade real à temperatura t;
P1 - peso do picnômetro vazio e seco, em g; P2 - peso do picnômetro mais amostra, em g;
b) Método de Le Chatelier:
De acordo com a NBR 6474/1984 para se determinar a massa específica de materiais tais como cimento, solo e material de enchimento e outros materiais em pó Le
Chatelier é o método mais adequado.
O ensaio é feito com um frasco de Le Chatelier. Usa-se, no caso, querosene ou benzeno e não água, pois sendo o material muito fino, formaria com a água uma pasta (lama) que falsearia o resultado.
É utilizado para materiais tais como cimento, solo, material de enchimento, etc. Apesar deste método ser o mais adequado para o cimento, no caso do concreto utilizado neste experimento, mais uma vez o EPS interferiu nos resultados pois na superfície dos flocos de EPS bolhas de ar ficaram aderidas diminuindo assim a densidade da amostra (ao contrário do picnômetro).
A densidade real através do método de Le Chatelier é determinada através da equação (7): V m V V P P d = − − = 1 2 1 2 ) 7 (
O método que mais se adequou a situação foi o da densidade aparente utilizando
água e parafina, por eliminar os interstícios vazios (a parafina não permite que a água
seja absorvida pela amostra), fato este que iria interferir nos resultados e por se adequar as condições do laboratório.
Tabela 1 – Porcentagens de componentes dos blocos de concreto. Composição 61 16 88 EPS ( l ) 60 100 80 Cimento (kg) 50 50 50 Areia ( l ) 100 60 80 Brita ( l ) - - - Água ( l ) 25-30 25-30 25-30 Aditivo ( l ) - - -
Da Tabela 2 a 7 estão plotados os valores necessários a determinação da densidade através da eq 5 inseridos em planilha eletrônica do EXCEL 97.
Tabela 2 – Pesos das amostras de concreto SEM parafina.
BLOCO PESO DAS AMOSTRAS (g)
EPS 1 1 1 2 2 2 3 3 3 Bloco Padrão 37,27 37,27 37,27 34,70 34,70 34,70 34,62 34,62 34,62
16 18,16 18,16 18,16 14,19 14,19 14,19 17,43 17,43 17,43 88 19,02 19,02 19,02 19,65 19,65 19,65 23,22 23,22 23,21 61 24,59 24,59 24,59 27,84 27,84 27,84 16,21 16,21 16,21
Tabela 3 – Pesos das amostras de concreto COM parafina.
BLOCOS PESO DAS AMOSTRAS COM PARAFINA (g)
EPS 1 1 1 2 2 2 3 3 3 Bloco Padrão 46,7 46,71 46,7 43,83 43,84 43,83 43,02 43,01 43,01
Tabela 4 – Pesos da parafina (i.e., bloco com parafina – peso do bloco).
BLOCOS PESO DA PARAFINA NO BLOCO (g)
EPS 1 1 1 2 2 2 3 3 3 Bloco Padrão 9,43 9,44 9,43 9,14 9,15 9,14 8,40 8,39 8,39
16 8,06 8,06 8,06 7,10 7,11 7,11 8,89 8,88 8,89
88 10,61 10,61 10,61 9,45 9,45 9,45 8,91 8,93 8,92
61 2,40 2,40 2,39 4,59 4,59 4,59 6,88 6,88 6,88
Tabela 5 – Pesos dos blocos mais parafina menos empuxo.
BLOCOS (PESO DO BLOCO + PARAFINA) - EMPUXO (g)
EPS 1 1 1 2 2 2 3 3 3 Bloco Padrão 29,03 29,05 29,1 27,57 27,55 27,52 26,47 26,43 26,36
16 25,59 25,62 25,6 21,37 21,35 21,36 25,6 25,59 25,6 88 28,34 28,37 28,37 27,64 27,71 27,7 26,32 26,29 26,34 61 19,31 19,3 19,31 23,41 23,38 23,37 21,56 21,55 21,54
Tabela 6 – Densidades aparentes dos blocos calculadas através da Equação 5.
BLOCOS DENSIDADE APARENTE DO BLOCO (Kg/m3)
EPS 1 1 1 2 2 2 3 3 3 Bloco Padrão 1987 1986 1980 1970 1973 1975 1999 2002 2011
16 1080 1078 1080 1041 1043 1043 1096 1096 1095
88 1135 1133 1133 1133 1129 1129 1398 1402 1397
Tabela 7 – Valores das médias de cada bloco analisado por tipo. MÉDIA(Kg/m3) BLOCOS 1 2 3 MÉDIA GERAL(Kg/m3) Bloco Padrão 1069 1080 1042 1064 16 1069 1080 1042 1064 88 1263 1133 1131 1176 61 1334 1470 1512 1438
Durante o processo de determinação da densidade de cada amostra, pôde-se constatar a relação inversa entre o aumento da quantidade de EPS nos blocos (tab.1) e o valor das densidades (tab.7).
CONCLUSÕES
O aumento do teor de EPS como agregado em bloco de concreto leve diminui sua densidade, como se esperava.
Foi objetivo da presente pesquisa determinar um método adequado à quantificação da variação da densidade em função da porcentagem de EPS utilizada na composição dos blocos de concreto leve.
Os demais métodos não se aplicaram devido às limitações como: migração dos flocos de EPS para a superfície da água (picnômetro) e aderência de bolhas ao EPS (Le
Chatelier), bem como as condições necessárias aos experimentos (vidraria, climatização,
precisão de balanças e vibração).
Através do método da densidade aparente utilizando água e parafina, foi possível se determinar as densidades dos blocos de concreto leve, necessárias a este projeto.
Este método foi o que mais se adequou ao tipo de material escolhido, devido à disponibilidade de material, a infra-estrutura física dos laboratórios e não sofrer influencia do EPS nos resultados.
Ao se determinar as densidades pôde ser visto que ao se aumentar a quantidade de EPS nos blocos, as mesmas decrescem. Este fato irá influenciar diretamente na difusividade dos blocos pois de acordo com a Equação 1.
BIBLIOGRAFIA
1. <http://planeta.terra.com.br/negocios/makipor/concreto.htm>. Acesso em: 17 Abril 2003.
2. <http://www.ceramicaindustrial.org.br/pdf/v07n02/v7n2_8.pdf>. Acesso em 05 Março 2003.
3. Bauer, F. L. A. Materiais de Construção: novos materiais para a construção civil. Vol. 1, 5o Edição, LTC, 1994.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao apoio obtido junto aos seguintes fomentadores da pesquisa: Direção do Núcleo Tecnológico Industrial – NTI da UFRN
Direção do Centro de Tecnologia – CT da UFRN Prof. Marciano Furukava
Equipe CT ENERG
Profª Raquel Franco de Souza Lima (Laboratório de Geoquímica/UFRN) Técnicos: Ricardo Fonseca (Lab. Metalografia/UFRN),
João Batista (Lab. Solos/UFRN)
Marcelo Morais (Lab. Metrologia/UFRN).
APOIO
