Apontamentos de aulaMATERIAIS DE CONSTRUÇÃO CIVIL Prof. Me. Benedito Carlos de Oliveira Jr. Os apontamentos constantes nesta apostila servem de apoio para as Aulas de Materiais de Construção. Os créditos aos Autores estão referenciados nos títulos. Página 1 de 177 1. INTRODUÇÃO AOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO (extraído do trabalho: Materiais de Construção Básicos de Sabrina Elicker Hagemann, Ministério da Educação, Governo Federal). Os materiais de construção são definidos como todo e qualquer material utilizado na construção de uma edificação, desde a locação e infraestrutura da obra até a fase de acabamento, passando desde um simples prego até os mais conhecidos materiais, como o cimento. A expressão “materiais de construção”, portanto, abrange uma gama extensa de materiais, dos quais estudaremos alguns dos principais, que denominamos “Materiais de Construção Básicos”. Na construção civil temos materiais que são utilizados a muitos anos da mesma forma, como o concreto, e outros que evoluem constantemente. E a evolução dos materiais de construção não é um processo recente, pois teve início desde os povos primitivos, que utilizavam os materiais assim como os encontravam na natureza, sem qualquer transformação. Com a evolução do homem surgem necessidades que levam à transformação desses materiais de uma maneira simplificada, a fim de facilitar seu uso ou de criar novos materiais a partir deles. Assim, o homem começa a moldar a argila, a cortar a madeira e a lapidar a pedra. Outro exemplo de evolução foi a descoberta do concreto que surgiu da necessidade do homem de um material resistente como a pedra, mas de moldagem mais fácil. Perceba que os materiais continuam evoluindo para satisfazer as necessidades do homem e de forma cada vez mais rápida, com exigências cada vez maiores quanto a sua qualidade, durabilidade e custo. Além disso, há um cenário sustentável no qual a produção e o emprego dos materiais de construção devem considerar a questão ambiental. Nenhuma obra é feita sem materiais e a qualidade e durabilidade de uma construção dependem diretamente da qualidade e da durabilidade dos materiais que nela são empregados. Por isso, é necessário que o responsável técnico de uma edificação tenha em mente a importância de conhecer as propriedades e aplicações mais adequadas para cada material. Para Silva (1985), na hora de escolher os materiais que irá utilizar o responsável técnico por uma edificação deve analisá-los de acordo com seguintes aspectos: a) Condições técnicas O material deve possuir propriedades que o tornem adequado ao uso que se pretende fazer dele. Entre essas propriedades estão a resistência, a trabalhabilidade, a durabilidade, a higiene e a segurança. b) Condições econômicas O material deve satisfazer as necessidades de sua aplicação com um custo reduzido não só de aquisição, mas de aplicação e de manutenção, visto que muitas obras precisam de serviços de manutenção depois de concluídas e que da manutenção depende a durabilidade da construção. c) Condições estéticas: O material utilizado deve proporcionar uma aparência agradável e conforto ao ambiente onde for aplicado. Página 2 de 177 Os materiais de construção podem ser classificados de acordo com diferentes critérios. Entre os critérios apresentados por Silva (1985) podemos destacar como principais a classificação quanto à origem e à função. Quanto à origem ou modo de obtenção os materiais de construção podem ser classificados em: • Naturais: são aqueles encontrados na natureza, prontos para serem utilizados. Em alguns casos precisam de tratamentos simplificados como uma lavagem ou uma redução de tamanho para serem utilizados. Como exemplo desse tipo de material, temos a areia, a pedra e a madeira. • Artificiais: são os materiais obtidos por processos industriais. Como exemplo, podem-se citar os tijolos, as telhas e o aço. • Combinados: são os materiais obtidos pela combinação entre materiais naturais e artificiais. Concretos e argamassas são exemplos desse tipo de material. Quanto à função onde forem empregados, os materiais de construção podem ser classificados em: • Materiais de vedação: são aqueles que não têm função estrutural, servindo para isolar e fechar os ambientes nos quais são empregados, como os tijolos de vedação e os vidros. • Materiais de proteção: são utilizados para proteger e aumentar a durabilidade e a vida útil da edificação. Nessa categoria podemos citar as tintas e os produtos de impermeabilização. • Materiais com função estrutural: são aqueles que suportam as cargas e demais esforços atuantes na estrutura. A madeira, o aço e o concreto são exemplos de materiais utilizados para esse fim. 2. PROPRIEDADES GERAIS DOS MATERIAIS (extraído do trabalho: Materiais de Construção Básicos de Sabrina Elicker Hagemann, Ministério da Educação, Governo Federal). São as qualidades exteriores que caracterizam e distinguem os materiais. Um determinado material é conhecido e identificado por suas propriedades e por seu comportamento perante agentes exteriores. Bauer (2008) define algumas das principais propriedades dos materiais dentre as quais podemos citar as mais importantes ao nosso estudo é: Extensão: a propriedade que possuem os corpos de ocupar um lugar no espaço. Massa: a quantidade de matéria e é constante para o mesmo corpo, esteja onde estiver. Peso: definido como a força com que a massa é atraída para o centro da Terra (varia de local para local). Volume: o espaço que ocupa determinada quantidade de matéria. Massa específica: a relação entre sua massa e seu volume. Peso específico: a relação entre seu peso e seu volume. Densidade: a relação entre sua massa e a massa do mesmo volume de água destilada a 4ºC. Porosidade: a propriedade que tem a matéria de não ser contínua, havendo espaços entre as massas. Página 3 de 177 Dureza: definida como a resistência que os corpos opõem ao serem riscados. Tenacidade: a resistência que o material opõe ao choque ou percussão. Maleabilidade ou Plasticidade: a capacidade que têm os corpos de se adelgaçarem até formarem lâminas sem, no entanto, se romperem. Ductibilidade: a capacidade que têm os corpos de se reduzirem a fios sem se romperem. Durabilidade: a capacidade que os corpos apresentam de permanecerem inalterados com o tempo. Desgaste: a perda de qualidades ou de dimensões com o uso contínuo. Elasticidade: a tendência que os corpos apresentam de retornar à forma primitiva pós a aplicação de um esforço. 1. ESFORÇOS MECÂNICOS (extraído do trabalho: Materiais de Construção Básicos de Sabrina Elicker Hagemann, Ministério da Educação, Governo Federal, acrescido de notas próprias). Os materiais de construção estão constantemente submetidos a solicitações como cargas, peso próprio, ação do vento, entre outros, que chamamos de esforços. Dependendo da forma como os esforços se aplicam a um corpo, recebe uma denominação. Os principais esforços aos quais os materiais podem ser submetidos são: • Compressão: esforço aplicado na mesma direção e sentido contrário que leva a um “encurtamento” do objeto na direção em que está aplicado. A COMPRESSÃO ocorre quando a força axial aplicada estiver atuando como sentido dirigido para o interior da peça. Com isso a peça sofre deformações. Em um primeiro momento, sofre DEFORMAÇÃO ELÁSTICA, porém, quando atinge sua tensão de escoamento, a peça passará a entrar em sua DEFORMAÇÃO PLÁSTICA, ou seja: o material estará sendo deformado permanentemente. • Tração: esforço aplicado na mesma direção e sentido contrário que leva o objeto a sofrer um alongamento na direção em que o esforço é aplicado. Página 4 de 177 A TRAÇÃO ocorre quando a força axial aplicada estiver atuando com o sentido dirigido para o exterior da peça. A tração faz com que a peça se alongue no sentido da força e fique mais fina. O esforço da tração causa uma reorganização na estrutura molecular da peça movimentando os átomos a fim de se agruparem o máximo possível até um certo limite. • Flexão: esforço que provoca uma deformação na direção perpendicular ao qual e aplicado. A FLEXÃO é um esforço físico no qual se caracteriza pela deformação perpendicularmente à força cortante. Na flexão a face onde se aplica à força fica comprimida enquanto a face oposta é tracionada. • Torção: esforço aplicado no sentido da rotação do material. Forças que atuam em um plano perpendicular ao eixo e a cada seção transversal da peça, tendendo a girar em relação ao eixo. • Cisalhamento: esforço que provoca a ruptura por cisalhamento. O CISALHAMENTO é a força que atua paralelamente a um plano da peça, ao contrário da força de compressão e tração. Página 5 de 177 A resistência ao cisalhamento é a capacidade de um material para resistir às forças que tentam fazer com que a estrutura interna do material a deslizar contra si mesmo. 3. CONTROLE DA QUALIDADE DOS MATERIAIS (extraído do material de aula da disciplina na UNIVERSITAS – Centro Universitário de Itajubá). A qualidade dos materiais pode ser controlada durante sua produção ou após o produto pronto, como esquematizado a seguir. • CONTROLE DE PRODUÇÃO INDÚSTRIA • inspeção visual • lotes • amostragem • ensaio de qualificação • decisão CANTEIRO • controle matéria prima • controle materiais • controle execução • CONTROLE DE RECEBIMENTO CANTEIRO • Através de ensaios de laboratórios Em laboratórios os ensaios se dividem em: • Ensaios gerais: físicos ou mecânicos; FÍSICOS • massa específica • porosidade • permeabilidade • aderência • dilatação termica • condutibilidade térmica e acústica MECÂNICOS Estáticos • tração • compressão • flexão • torção • cisalhamento • desgaste Dinâmicos • flexão Página 6 de 177 • tração • compressão Fadiga • flexão • tração • compressão • Ensaios especiais: metalográficos ou tecnológicos. METALOGRÁFICOS • macrográfico • micrográfico TECNOLOGICOS • dobramento • maleabilidade • soldabilidade • fusibilidade 4. O PAPEL DA TECNOLOGIA NA ATUAL ENGENHARIA CIVIL (extraído do material de aula da disciplina na UNIVERSITAS – Centro Universitário de Itajubá). Atualmente, observa-se um avanço na concepção de projetos, graças aos conhecimentos extraídos de pesquisas de materiais e de protótipos estruturais, que têm levado os engenheiros estruturais a projetar e dimensionar estruturas onde são exigidas altas tensões de trabalho para o concreto e aço, partindo do pressuposto que estas estruturas serão muito bem executadas. Os engenheiros construtores são também conduzidos a lançar mão de modernos e sofisticados equipamentos, visando prioritariamente à rapidez de execução. Para garantir a qualidade da execução, o engenheiro construtor deve exercer nas matérias primas e no concreto o Controle da produção. Fica a cargo dos engenheiros fiscalizadores a preocupação com a qualidade final do produto e exercem o Controle da aceitação. Os engenheiros projetistas devem elaborar bons projetos tecnológicos, que apresentem especificações estabelecendo índices de qualidade para os materiais, que estes materiais possam ser facilmente adquiridos ou produzidos e que possuam durabilidade. Associados aos projetos devem ser elaborados manuais para execução da obra e para sua manutenção após concluída. 5. NORMALIZAÇÃO (extraído do material de aula da disciplina na UNIVERSITAS – Centro Universitário de Itajubá). É o processo de formular e aplicar normas visando: • acesso automático a atividades específicas; • otimização e economia; • funcionalidade; • segurança; • benefício e resguardo dos interesses, atendendo padrões nacionais e internacionais. Página 7 de 177 5.1 EVOLUÇÃO HISTÓRICA A normalização surgiu da necessidade dos seres humanos de trocar produtos e serviços. Era preciso avaliar uma grandeza de medida através da comparação com uma grandeza da mesma espécie. A primeira iniciativa foi a comparação com elementos da natureza, tais como: pé, palmo, braço, passo, vara e assim por diante. O sistema foi evoluindo gradativamente e em 29 de novembro de 1800 foi introduzida na França a regulamentação do sistema métrico. Consistindo de barras fundidas correspondentes ao padrão de medida estipulado e que era definido como sendo a décima milionésima parte do quadrante terrestre. A normalização metódica e sistemática desenvolveu-se a partir do século XVIII e XIX, com o descobrimento das ciências naturais e descobrimentos técnicos (Revolução Francesa) e da Revolução Industrial, que introduziu a fabricação em série, podendo serem listados os seguintes eventos principais: • 1839 – Sir Joseph Whitworth – padronizou uma rosca para parafuso; • 1873 – aparição das primeiras normas para chapas e fios; • 1876 – Mevil Dewey desenvolve a classificação bibliográfica decimal; • 1877 – editada norma para especificação e ensaio de cimento Portland; • 1883 – fabricantes alemães criam os formatos normalizados de papel; • 1898 – conferência internacional em Zurique adota a rosca SI; • 1907 – na Suécia cria-se a primeira norma eletrotécnica; • 1940 – fundação da ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas; • 1947 – fundação da ISO – International Standartization Organization; • 1973 – criação do Sistema Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial, no Brasil. 5.2 ENTIDADES NORMALIZADORAS No Brasil, a normalização cabe à ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas, mas em setores específicos, outras entidades têm o mesmo objetivo. Como exemplo: ABCP – Associação Brasileira de Cimento Portland; IBRACON – Instituto Brasileiro do Concreto; IBP – Instituto Brasileiro do Pinho, que também estabelecem normas nos seus respectivos campos de atuação. Nos Estados Unidos, esta responsabilidade cabe à ASTM – American Society for Testing Materials e à ASA – American Standart Association e em setores específicos, como para as estradas existe a AASHO – American Association of State Highway Officials. Na Alemanha, a DIN – Deutsch Industrie Normen, na França, a AFNOR – Association Française de Normalisation, na Inglaterra, a BS – British Standarts Institution e na Noruega, a NSF – Norges Standardiserings-Forbund. Página 8 de 177 Estas entidades são coordenadas pela ISO – International Standartization Organization e por Comitês Continentais, tais como o COPANT – Comissão Panamericana de Normas Técnicas. Entre as organizações estrangeiras em campo específico, podem ser citados o CEB – Comité Européen du Béton, o RILEM – Réunion Internationale des Laboratoires d’éssais et de Recherches sur Les Materiaux et les Structures, o PCA – Portland Cement Association e o ACI – American Concrete Institute. 5.3 TIPOS DE NORMAS NORMAS – que dão as diretrizes para cálculo e métodos de execução de obras e serviços, assim como as condições mínimas de segurança; ESPECIFICAÇÕES - que estabelecem as prescrições para os materiais; MÉTODOS DE ENSAIOS – que estabelecem os processos para a formação e o exame de amostras; PADRONIZAÇÕES – que estabelecem as dimensões para os materiais e produtos; TERMINOLOGIAS – que regularizam a nomenclatura técnica; SIMBOLOGIA – para convenções de desenhos; CLASSIFICAÇÕES – para ordenar e dividir conjuntos de elementos. 5.4 CERTIFICAÇÃO As Entidades Normalizadoras concedem marcas de conformidade, ou seja, reconhecem publicamente os materiais que estão de acordo com suas especificações, desde que solicitado. Em alguns casos, essa conformidade pode ser indicada por um símbolo a ser afixado no material ou na embalagem, tal como o exemplo da figura seguinte. 5.5 OBJETIVOS DA NORMALIZAÇÃO Os objetivos principais da normalização são: - Economia: proporcionar a redução da crescente variedade de produtos e procedimentos. - Comunicação: proporcionar meios mais eficientes na troca de informações entre fabricante e cliente, melhorando a confiabilidade das relações comerciais e de serviços. Página 9 de 177 - Segurança: proteger a vida humana e a saúde. - Proteção ao consumidor: prover a sociedade de meios eficazes para aferir a qualidade dos produtos. - Eliminação de barreiras técnicas e comerciais: evitar a existência de regulamentos conflitantes sobre produtos e serviços em diferentes países, facilitando assim, o intercâmbio comercial. a. PRINCÍPIOS DA NORMALIZAÇÃO Segundo a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) o processo de elaboração de normas técnicas está apoiado em princípios, que são fundamentais para que todos os objetivos da normalização sejam atendidos e para que ela seja eficaz na sua aplicação e reconhecida por todos. Voluntariedade – A participação em processo de normalização não é obrigatória e depende de uma decisão voluntária dos interessados. Essa vontade de participar é imprescindível para que o processo de elaboração de normas ocorra. Outro aspecto que fundamenta a voluntariedade do processo de normalização é o fato de que o uso da norma também não é obrigatório, devendo ser resultado de uma decisão em que são percebidas mais vantagens no seu uso do que no não uso. Representatividade – É preciso que haja participação de especialistas cedidos por todos os setores – produtores, organizações de consumidores e neutros (outras partes interessadas tais como universidades, laboratórios, institutos de pesquisa, órgãos do governo), de modo que a opinião de todos seja considerada no estabelecimento da norma. Dessa forma, ela de fato reflete o real estágio de desenvolvimento de uma tecnologia em um determinado momento, e o entendimento comum vigente, baseado em experiências consolidadas e pertinentes. Paridade – Não basta apenas a representatividade, é preciso que as classes (produtor, consumidor e neutro) estejam equilibradas, evitando-se assim a imposição de uma delas sobre as demais por conta do maior número de representantes. Assim, deve-se buscar assegurar o equilíbrio das diferentes opiniões no processo de elaboração de normas. Atualização – A atualização do processo de desenvolvimento de normas, com a adoção de novos métodos de gestão e de novas ferramentas de tecnologia da informação, contribui para que o processo de normalização acompanhe evolução tecnológica. Esse princípio de atualização deve ser constantemente perseguido para que a normalização atenda à intensa demanda considerando que uma norma defasada tecnologicamente fatalmente cairá no desuso. Transparência – Todas as partes interessadas devem ser disponibilizadas, a qualquer tempo, as informações relativas ao controle, atividades e decisões sobre o processo de desenvolvimento de normas técnicas. Simplificação – O processo de normalização deve ter regras e procedimentos simples e acessíveis, que garantam a coerência, a rapidez e a qualidade no desenvolvimento e implementação das normas. Página 10 de 177 Consenso – Para que uma norma tenha seu conteúdo o mais próximo possível da realidade de aplicação, é necessário que haja consenso entre os participantes de sua elaboração. Consenso é processo pelo qual um Projeto de Norma deve ser submetido, compreendendo as etapas de análise, apreciação e aprovação por parte de uma comunidade, técnica ou não. A finalidade desse processo de consenso é o de atender aos interesses e às necessidades da coletividade, em seu próprio beneficio. Não é uma votação, mas um compromisso de interesse mútuo, não devendo, portanto, ser confundido com unanimidade. b. BENEFÍCIOS DA NORMALIZAÇÃO A ABNT também enfatiza que os benefícios da normalização ajudam a: - Organização do mercado; - Constituição de uma linguagem única entre produtor e consumidor; - Melhora da qualidade de produtos e serviços; - Orientar as concorrências públicas; - Produtividade aumentar, com consequente redução dos custos de produtos e serviços, a contribuição para o aumento da economia do país e o desenvolvimento da tecnologia nacional. Página 11 de 177 AGREGADOS CRÉDITOS: Este material foi pesquisado e retirado via Internet www.uerj.br em 2010. 1.1 Introdução: Uma vez que cerca de ¾ do volume do concreto são ocupados pelos agregados, não é de se surpreender que a qualidade destes seja de importância básica na obtenção de um bom concreto, exercendo nítida influência não apenas na resistência mecânica do produto acabado como, também, em sua durabilidade e no desempenho estrutural. Procura-se, neste capítulo, apresentar as principais propriedades dos agregados, analisando o seu grau de importância e responsabilidade na geração das características essenciais aos concretos, tais como: resistência à compressão, tração na flexão, impermeabilidade, durabilidade, trabalhabilidade e retratilidade. São apresentados também, baseados nas experiências nacional e estrangeira, alguns critérios seletivos para a obtenção dos agregados, proporcionando concretos que irão corresponder plenamente às expectativas de projeto e execução das obras onde serão empregadas. Podemos definir agregado como: material granular, inerte, com dimensões e propriedades adequadas e isentos de impurezas prejudiciais. 1.2) Classificação dos agregados: Os agregados podem ser classificados quanto: à origem; às dimensões das partículas; à massa unitária. a) Quanto à origem, eles podem ser: Naturais já são encontrados na natureza sob a forma definitiva de utilização: areia de rios, seixos rolados, cascalhos, pedregulhos,... Artificiais são obtidos pelo britamento de rochas: pedrisco, pedra britada,... Industrializados aqueles que são obtidos por processos industriais. Ex.: argila expandida, escória britada. Deve-se observar aqui que o termo artificial indica o modo de obtenção e não se relaciona com o material em si. b) Quanto à dimensão de suas partículas, a Norma Brasileira define agregado da seguinte forma: Agregado miúdo Areia de origem natural ou resultante do britamento de rochas estáveis, ou a mistura de ambas, cujos grãos passam pela peneira ABNT de 4,8 mm (peneira de malha quadrada com abertura nominal de “x” mm, neste caso 4,8 mm) e ficam retidos na peneira ABNT 0,075 mm. Página 12 de 177 Agregado graúdo o agregado graúdo é o pedregulho natural, ou a pedra britada proveniente do britamento de rochas estáveis, ou a mistura de ambos, cujos grãos passam pela peneira ABNT 152 mm e ficam retidos na peneira ABNT 4,8 mm. Referindo-se ao tamanho do agregado, a designação dimensão máxima indica a abertura de malha (em milímetros) da peneira da série normal à qual corresponde uma porcentagem retida acumulada igual ou inferior a 5%. Veja na frente mais detalhadamente. c) Quanto à massa unitária podem-se classificar os agregados em leves, médios e pesados. Veja a tabela abaixo: Massas unitárias médias Leves1 (menor que 1,0 t/m3) Médios (1,0 a 2,0 t/m3) Pesados (acima de 2,0 t/m3) Vermiculita 0,3 Calcário 1,4 Barita 2,9 Argila expandida 0,8 Arenito 1,45 Hematita 3,2 Escória granulada 1,0 Cascalho 1,6 Magnetita 3,3 Granito 1,5 Areia seca ao ar 1,5 Basalto 1,5 Escória 1,7 Os agregados leves, médios e pesados podem ser caracterizados, também, por suas massas específicas (densidade): Leves: M.E. < 2,0 t/m3 Médios: 2,0 M.E. 3,0 t/m3 Pesados: M.E. > 3,0 t/m3 1.3) Características das rochas de origem: a) Atividade – o agregado pela própria definição deve ser um elemento inerte, ou seja: - não deve conter constituintes que reajam com o cimento “fresco” ou endurecido. - não deve sofrer variações de volume com a umidade. - não deve conter incompatibilidade térmica entre seus grãos e a pasta endurecida. Observação: Reatividade álcalis-agregado: agregados provenientes de determinadas rochas contém minerais que podem reagir com os álcalis (Na 2O e K2O) do cimento ocasionando expansão e desintegração do concreto (ver melhor explicação adiante). São minerais reativos: opala, calcedônia, riolitos, andusitos, cristobalitas. Dados experimentais fixam em 0,6% o teor máximo de álcalis para os cimentos que serão usados com agregados que contenham estes minerais. 1 Agregados leves: utilizados para a produção de concretos leves. A pequena massa unitária é devida à microestrutura celular ou altamente porosa do agregado. Página 13 de 177 b) Resistência Mecânica b.1. à compressão : a resistência varia conforme o esforço de compressão se exerça paralela ou perpendicularmente ao veio da pedra. O ensaio se faz em corpos-de-prova cúbicos de 4 cm de lado. As rochas ígneas, assim como a escória de alto forno resfriada ao ar, apresentam resistências médias à compressão da seguinte ordem: Rochas Resistência à Compressão Granito ( Serra da Cantareira, SP ) 154 MPa Granito ( RJ ) 120 MPa Basalto 150 MPa Sob o aspecto de resistência à compressão, estes materiais não apresentam qualquer restrição ao seu emprego no preparo de concreto normal, pois tem resistência muito superior às máximas dos concretos. As rochas sedimentares apresentam resistência um pouco abaixo das ígneas. b) ao desgaste : a pasta de cimento e água não resiste ao desgaste . Quem confere esta propriedade aos concretos é o agregado. Ao desgaste superficial dos grãos de agregado quando sofrem “atrição”, dá-se o nome de abrasão. A resistência à abrasão mede, portanto, a capacidade que tem o agregado de não se alterar quando manuseado (carregamento, basculamento, estocagem). Em algumas aplicações do concreto, a resistência à abrasão é característica muito importante, como por exemplo, em pistas de aeroportos, em vertedouros de barragens e em pistas rodoviárias, pois o concreto sofre grande atrição. A resistência à abrasão é medida na máquina “Los Angeles”, que consta, em essência, de um cilindro oco, de eixo horizontal, dentro do qual a amostra de agregado é colocada juntamente com esferas de ferro fundido. A NBR 6465 trata do ensaio à abrasão, dando as características da máquina e das cargas de agregado e esferas de ferro. O cilindro é girado durante um tempo determinado, sofrendo o agregado atrição e também certo choque causado pelas esferas de ferro. Retirada do cilindro, a amostra é peneirada na peneira de 1,7mm; o peso do material que passa, expresso em porcentagem do peso inicial, é a “Abrasão Los Angeles”. c) Durabilidade – o agregado deve apresentar uma boa resistência ao ataque de elementos agressivos. O ensaio consiste em submeter o agregado à ação de uma solução de sulfato de sódio ou magnésio, determinando-se a perda de peso após 5 ciclos de imersão por 20 horas, seguidas de 4 horas de secagem em estufa a 105°C. É de 15% a perda máxima admissível para agregados miúdos e de 18% para agregados graúdos, quando for usada uma solução de sulfato de magnésio. Página 14 de 177 1.4) Principais propriedades físicas dos agregados: a) Massa específica Massa Específica! O que é isto? Para efeito de dosagem do concreto, é importante conhecer o volume ocupado pelas partículas do agregado, incluindo os poros existentes dentro das partículas, portanto somente é necessário a determinação da massa específica do agregado. A massa específica é definida como a massa do material por unidade de volume, incluindo os poros internos das partículas. Para muitas rochas comumente utilizadas, a massa específica varia entre 2600 e 2700 kg/m3. Massa Específica (kg/m3) Granito 2690 Arenito 2650 Calcário 2600 Da amostra representativa, colhida de acordo com a NBR 7216, pesam-se 500g de areia seca, coloca-se água no interior do frasco até sua marca padrão de 200 ml; introduz-se cuidadosamente o material. A água subirá no gargalo do frasco até uma certa marca (L); faz-se essa leitura e do valor obtido diminuem-se os 200 ml, obtendo-se, assim, o valor absoluto de areia; dividindo-se o peso dos 500g de areia pelo volume achado, teremos a massa específica real ou peso específico real. 500 M.E kg / l L 200 Para que serve a massa específica? Seja o traço em peso de um concreto, para materiais secos (traço de um concreto define a proporção unitária entre seus materiais constituintes, considerando-se o cimento como unidade de medida): Cimento: 1 kg Areia: 2,8 kg Pedregulho: 4,8 kg Água: 0,7 kg Conhecendo-se as massas específicas desses materiais: Cimento: 3,10 kg/dm3 Areia: 2,62 kg/dm3 Pedregulho: 2,65 kg/dm3 Água: 1 kg/dm3 Temos os volumes de “cheios” deste material: Cimento: 1 / 3,10 = 0,32 dm3 = 0,32 litros Areia: 2,8 kg / 2,62 kg/dm3= 1,07 dm3 = 1,07 litros Pedregulho: 4,8 kg / 2,65 kg/dm3 = 1,81 dm3 = 1,81 litros Água: 0,7 kg / 1 kg/dm3 = 0,7 dm3 = 0,7 litros Se com 1 kg de cimento, empregando-se as proporções de areia e pedregulho especificadas anteriormente, obtém-se 3,90 l de concreto, para 1 m3 de concreto (1000l) serão precisos: 1 x 1000 = 256 kg de cimento. 3,90 Página 15 de 177 b) Massa Unitária Massa Unitária! O que é isto? Segundo a NBR 7810 a massa unitária é a massa da unidade de “volume aparente” do agregado, isto é, incluindo na medida deste volume os vazios entre os grãos. A importância de se conhecer a massa unitária aparente vem da necessidade, na dosagem de concretos, de transformar um traço em massa para volume e vice-versa, ou também, para cálculos de consumo de materiais a serem empregados no concreto. Definindo massa unitária de outra maneira, poderíamos dizer que massa unitária é definida como a massa das partículas do agregado que ocupam uma unidade de volume, tal fenômeno surge porque não é possível empacotar as partículas dos agregados juntas, de tal forma que não exista espaços vazios. O termo massa unitária é assim relativo ao volume ocupado por ambos: agregados e vazios. A massa unitária aproximada dos agregados comumente usados em concreto normal varia de 1300 a 1750 kg/m3. Sua determinação deverá ser feita em recipiente, com forma de paralelepípedo, de volume nunca inferior a 15 litros. Quanto ao enchimento do recipiente, o material deverá ser lançado de uma altura que não exceda a 10 cm da boca. Após cheio, a superfície do agregado é rasada e nivelada com uma régua. No caso do agregado graúdo, a superfície é regularizada de modo a compensar as saliências e reentrâncias das pedras. A massa unitária, expressa em kg/dm3, é obtida pelo quociente: Massa do recipiente cheio tara M.U Capacidade do recipiente Para que serve a massa unitária? Seja o traço em massa de concreto com materiais secos: Cimento: 1 kg Areia: 2,8 kg Pedregulho: 4,8 kg Conhecendo-se as massas unitárias ou aparentes para: Cimento: 1,1 kg/dm3 Areia: 1,4 kg/dm3 Pedregulho: 1,6 kg/dm3 Temos o traço em volume correspondente: Cimento: 1 kg /1,1 kg/dm3 = 0.90 dm3 Areia: 2,8 kg / 1,4 kg/dm3= 2,00 dm3 Pedregulho: 4,8 kg / 1,6 kg/dm3 = 3,00 dm3 Como em todo traço unitário de concreto o cimento é sempre a unidade de medida, dividiremos, neste caso, os resultados encontrados por 0,90: Cimento: 0.90 dm3 / 0,90 = 1,00 dm3 Areia: 2,00 dm3 / 0,90 = 2,22 dm3 Pedregulho: 3,00 dm3 / 0,90 = 3,33 dm3 Traço transformado para volume: 1,00 : 2,22 : 3,33 Página 16 de 177 Exercício: 1) Um pedreiro misturou 25 kg de cimento com 80 kg de areia úmida (h = 3%) e 12 litros de água. Pergunta-se: a) Qual o volume de argamassa que ele tem para trabalhar? b) Qual a relação a/c em massa da mistura? c) Sabendo-se que a obra vai precisar de 5,17m 3 de argamassa, quantos caminhões de 5m 3 de areia terei que comprar? Dados: Massa Unitária (kg/dm3) Massa Específica (kg/dm3) Cimento 1,12 3,10 Areia seca 1,50 2,65 Água - 1,00 Resolução: Página 17 de 177 GABARITO DO EXERCÍCIO: 1ª Questão Massa da amostra Massa da amostra a) M.E. Volme de cheios Volume de cheios Massa específica Peso areia úmida (Pah) Peso areia seca (Pas) h 1 100 80 80 80 Pas 77,67 kg de areia seca h 3 1,03 1 1 100 100 Massa areia seca 77,67 kg Volume de areia seca (Vas) 29,31 dm 3 Massa específica 2,65 kg dm 3 Peso de água (Pa) Pah Pas 80 77,67 2,33 kg água Volume total de água (Va) 12 2,33 14,33 dm Massa de cimento 25 kg Volume de cimento Vc 8,06 dm 3 Massa específica 3,10 kg dm 3 Volume total de argamassa Vc Vas Va 8,06 29,31 14,33 51,7 dm 3 0,0517m 3 água 14,33 b) Relação a 0,57 c cimento 25 b) Para produzir 51,7 dm3 de argamassa, necessitamos de 77,67 kg de areia seca. 51,7 dm3 de argamassa 77,67 kg de areia seca 5170 dm3 7767 kg de areia seca 5170 dm3 = 5,17 m3 Para calcularmos o volume de areia seca, basta dividirmos a massa de areia pela sua massa unitária: Vas = 7767 / 1,50 = 5178 dm3 = 5,178 m3 1 caminhão 5 m3 x caminhão 5,178 m3 x = 1,0356 caminhão. Página 18 de 177 c) Índice de Vazios: é a relação entre o volume total de vazios e o volume total de grãos. Vv i Vg Agregado Miúdo Agregado Graúdo No caso dos agregados miúdos o espaço intergranular é menor que nos agregados graúdos, porém a quantidade destes espaços vazios é bastante superior, por isso podemos dizer que os totais de espaços vazios nos agregados miúdos e graúdos independem do tamanho máximo dos grãos. A mistura de agregados miúdos e graúdos, entretanto, apresentará, sempre, um menor volume de vazios. d) Compacidade (c): é a relação entre o volume total ocupado pelos grãos e o volume total do agregado. Vg c Va e) Finura: quando um agregado tem seus grãos de menor diâmetro que um outro, diz-se que ele tem maior finura. f) Área específica: é a soma das áreas das superfícies de todos os grãos contidos na unidade de massa do agregado. Admite-se para área da superfície de um grão, a área da superfície de uma esfera de igual diâmetro; o grão real tem, contudo, superfície de área maior que a esfera. A forma dos grãos de brita é irregular e sua superfície extremamente rugosa; para a mesma granulometria, os agregados com grãos mais regulares têm menor superfície específica. Página 19 de 177 1.5) Outras propriedades: Coesão: coesão de um material granular é a resistência ao cisalhamento quando o material não está sujeito à compressão. A coesão é desprezível nos agregados graúdos; as areias apresentam, quando úmidas, uma resistência ao cisalhamento causada pela tensão capilar da água, que é chamada coesão aparente. Quando secas ou saturadas, as areias não têm coesão. Fragilidade: propriedade dos materiais de se fraturarem sob pequena tensão, sem deformação perceptível. Maleabilidade: propriedade dos materiais de se deformarem fácil e extensamente sob baixa tensão. Ex. argila. Tenacidade: propriedade dos materiais, entre a fragilidade e maleabilidade, de se fraturarem sob alta tensão, com pequena ou média deformação. O granito é rocha mais tenaz que o basalto. 1.6) Agregados Naturais: 1.6.1) Areia natural: considerada como material de construção, areia é o agregado miúdo. A areia pode originar-se de rios, de cavas (depósitos aluvionares em fundos de vales cobertos por capa de solo) ou de praias e dunas. As areias das praias não são usadas, em geral, para o preparo de concreto por causa de sua grande finura e teor de cloreto de sódio. O mesmo ocorre com as areias de dunas próximas do litoral. Utilizações da areia natural: Preparo de argamassas; Concreto betuminoso – juntamente com fíler, a areia entra na dosagem dos inertes do concreto betuminoso e tem a importante propriedade de impedir o amolecimento do concreto betuminoso dos pavimentos de ruas nos dias de intenso calor; Concreto de cimento (constitui o agregado miúdo dos concretos); Pavimentos rodoviários: constitui o material de correção do solo; Filtros – devido a sua grande permeabilidade, a areia é utilizada para a construção de filtros, destinados a interceptar o fluxo de água de infiltração em barragens de terra e em muros de arrimo. 1.6.2) Seixo rolado ou cascalho: também denominado pedregulho, é um sedimento fluvial de rocha ígnea, inconsolidado, formado de grãos de diâmetro em geral superior a 5 mm, podendo os grãos maiores alcançar diâmetros até superiores a cerca de 100 mm. O cascalho também pode ser de origem litorânea marítima. O concreto executado com pedregulho é menos resistente ao desgaste e à tração do que aquele fabricado com brita, na proporção 1 para mais ou menos 1,20. Página 20 de 177 O pedregulho deve ser limpo, quer dizer, lavado antes de ser fornecido. Deve ser de granulação diversa, já que o ideal é que os miúdos ocupem os vãos entre os graúdos. 1.7) Agregados Artificiais: 1.7.1) Definições: a) Pedra britada: agregado obtido a partir de rochas compactas que ocorrem em jazidas, pelo processo industrial da fragmentação controlada da rocha maciça. Os produtos finais enquadram- se em diversas categorias. Segundo classificação do autor Falcão Bauer em seu livro “Materiais de construção” Denominação Diâmetro (mm) Brita 0 1,2 a 9,5 Brita 1 4,8 a 19 Brita 2 19 a 38 Brita 3 25 a 50 Brita 4 50 a 76 b) Areia de brita ou areia artificial: agregado obtido dos finos resultantes da produção da brita, dos quais se retira a fração inferior a 0,15 mm. Sua graduação é 0,15 /4,8mm. c) Fíler: agregado de graduação 0,005/0,075mm. Seus grãos são da mesma ordem de grandeza dos grãos de cimento e passam na peneira 200 (0,075 mm). É chamado de pó de pedra. O fíler é utilizado nos seguintes serviços: - na preparação de concretos, para preencher vazios; - na adição a cimentos; - na preparação da argamassa betuminosa; - como espessante de asfaltos fluidos. d) Bica-corrida: material britado no estado em que se encontra à saída do britador. Pode ser classificada em primária ou secundária. Será primária quando deixar o britador primário, com graduação aproximada de 0/300mm, dependendo da regulagem e tipo de britador. Será secundária quando deixar o britador secundário, com graduação aproximada de 76mm. e) Rachão: agregado constituído do material que passa no britador primário e é retido na peneira de 76 mm. É a fração acima de 76 mm da bica corrida primária. A NBR 9935 define rachão como “pedra de mão”, de dimensões entre 76 e 250 mm. f) Restolho: material granular, de grãos em geral friáveis (que se parte com facilidade). Pode conter uma parcela de solo. Página 21 de 177 g) Blocos: fragmentos de rocha de dimensões acima do metro, que, depois de devidamente reduzidos em tamanho, vão abastecer o britador primário. 1.7.2) Matéria-prima ou Rochas de origem: Várias são as rochas aptas a serem exploradas para a produção de agregados. Em cada região haverá rocha de natureza tal que mais vantajosa se mostre para o tipo de agregado que se queira produzir. Dentre as rochas mais comumente exploradas estão: a) Granito: rocha plutônica ácida (75% de sílica), granular macroscópica, de cor cinza. b) Basalto: rocha vulcânica básica (50% de sílica) de cor cinza escura. c) Gnaisse: rocha metamórfica, granular macroscópica. d) Calcário: rocha sedimentar constituída de mais de 50% de carbonato de sódio. e) Arenito: rocha sedimentar proveniente da consolidação de sedimentos arenosos. Suas características físicas são muito dispersas. Só os mais consistentes prestam-se ao preparo de agregados, quando então suas características físicas estão mostradas na tabela abaixo. f) Escória de alto-forno: resíduo da produção de ferro gusa em altos-fornos, composto de aglomeração de vários óxidos, principalmente de cálcio e silício. Suas características são da seguinte ordem de grandeza: - massa específica: 2400 kg/m 3 - massa unitária: 1100 kg/m3 g) Hematita: É o óxido de ferro (Fe2O3). Usada em concretos pesados. Ordens de grandeza das constantes físicas Taxa de Taxa de Taxa de Módulo Massa Coeficiente ruptura sob ruptura sob ruptura de Rochas específica de compressão flexão sob tração elasticidade kg/m3 Poisson (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) Granito 2700 90 30 10 34000 0,28 34000– Basalto 2900 140 - 180 33 - 80 15 0,28 80000 46000- Gnaisse 2800 90 - 110 - - 0,23 66000 Calcário 2800 160 20 8 74000 0,23 Arenito 2300 – 2700 50 - 180 19 - 20000 0,1 Página 22 de 177 1.7.3) Brita ou pedra britada: a) Propriedades físicas: Média Desvio (%) Resistência à compressão (MPa) 120* 47 Resistência à abrasão, % 26,3* 16 Massa específica, kg/m3 2698 2 Resistência ao choque, % 16,7 24 Porosidade, % 0,6* 15 Absorção de água, % 0,26 30 Grãos cubóides, % 79 6 Material pulverulento, % 0,28 38 Argila em torrões, % 0 - Partículas macias e friáveis, % 1,36 118 Resistência aos sulfatos, % 0,33 69 * O granodiorito gnáissico apresenta desvios em relação às demais pedreiras nas seguintes características: Resistência à compressão: 81 MPa; resistência à abrasão: 41,3%; porosidade: 1,0%. Estes valores não foram, naturalmente, considerados para o cálculo das médias citadas na tabela acima e marcadas com um asterisco. A compacidade de um agregado depende, primeiramente, de sua distribuição granulométrica e, em seguida, da forma dos grãos, que, por sua vez, é função da natureza da rocha e, no caso dos agregados industrializados, do tipo dos britadores. Na pedra britada, verifica-se que todas as graduações provenientes de uma mesma rocha têm praticamente a mesma compacidade. Densidade Massa unitária (kg/dm3) Desvio padrão (%) Compa- Rocha (kg/dm3) P1 P2 P3 P4 Média P1 P2 P3 P4 Média cidade 1, Granito 2,660 31,38 1,37 1,38 1,357 0,7 0,6 0,9 0,4 0,4 0,517 7 1, Granito 2,768 41,48 1,44 1,45 1,455 - - - 0,526 Gnáissico 5 1, Basalto 2,742 41,41 1,41 - 1,41 2,7 3,8 4,4 - 3,4 0,514 1 Página 23 de 177 b) Usos A NBR 7211, que padroniza a pedra britada nas dimensões hoje consagradas pelo uso, trata de agregado para concreto. Não obstante isso, e apesar de as curvas granulométricas médias dos agregados comerciais não coincidirem totalmente com as curvas médias das faixas da Norma, emprega-se o agregado em extensa gama de situações: - Concreto de cimento: o preparo de concreto é o principal campo de consumo da pedra britada. São empregados principalmente o pedrisco, a pedra 1 e a pedra 2. É também usado o pó de pedra, apesar de ter ele distribuição granulométrica não coincidente com a do agregado miúdo padronizado para concreto (areia). A tecnologia do concreto evoluiu, de modo que o pó de pedra é usado em grande escala. - Concreto asfáltico: o agregado para concreto asfáltico é necessariamente pré-dosado, misturando-se diversos agregados comerciais. Isto se deve ao ter ele de satisfazer peculiar forma de distribuição granulométrica. São usados: fíler, areias, pedras 1, 2 e 3. - Argamassas: em certas argamassas de enchimento, de traço mais apurado, podem ser usados a areia de brita e o pó de pedra. - Pavimentos rodoviários: para este emprego, a NBR 7174 fixa três graduações para o esqueleto e uma para o material de enchimento das bases de macadame hidráulico, graduações estas que diferem das pedras britadas. - Lastro de estradas de ferro: este lastro está padronizado pela NBR 5564, e consta praticamente de pedra 3. - Aterros: podem ser feitos com restolho, obtendo-se mais facilmente, alto índice de suporte do que quando se usam solos argilosos. - Correção de solos: usa-se o pó de pedra para correção de solos de plasticidade alta. 1.8) Agregados Industrializados: 1.8.1) Agregados Leves: a) Argila expandida: a argila é um material muito fino, constituído de grãos lamelares de dimensões inferiores a dois micrômetros, formada, em proporções muito variáveis, de silicato de alumínio e óxidos de silício, ferro, magnésio e outros elementos. Para se prestar para a produção de argila expendida, precisa ser dotada da propriedade de piroexpansão, isto é, de apresentar formação de gases quando aquecida a altas temperaturas (acima de 1000oC). Nem todas as argilas possuem essa propriedade. O principal uso que se faz da argila expandida é como agregado leve para concreto, seja concreto de enchimento, seja concreto estrutural ou pré-moldado – com resistência de até fck30MPa. O concreto de argila expandida, além da baixa densidade de 1,0 a 1,8, apresenta muito baixa condutividade térmica – cerca de 1/15 da do concreto de britas de granito. Página 24 de 177 Blocos e painéis pré-moldados usando argila expandida prestam-se bem a ser usados como isolantes térmicos ou acústicos, no que são auxiliados pela baixa densidade do material, que pode variar de 6 a 15 kN/m3, contra 26 do concreto de brita de granito ou de basalto. b) Escória de alto-forno: é um resíduo resultante da produção de ferro gusa em altos-fornos, constituído basicamente de compostos oxigenados de ferro, silício e alumínio. A escória simplesmente resfriada ao ar, ao sair do alto forno (escória bruta), uma vez britada, pode produzir um agregado graúdo. Normalmente, após receber um jato de vapor, a escória é resfriada com jatos de água fria, produzindo-se, então, a escória expandida, de que resulta um agregado da ordem de 12,5/32mm. Quando é imediatamente resfriada em água fria, resulta a escória granulada, que permite obter um agregado miúdo de graduação 0/4,8mm, aproximadamente. A escória granulada é usada na fabricação do cimento Portland de alto-forno. Usa-se a escória expandida como agregado graúdo e miúdo no preparo de concreto leve em peças isolantes térmicas e acústicas, e também em concreto estrutural, com resistência a 28 dias da ordem de 8- 20 MPa e densidade da ordem de 1,4. c) Vermiculita: é um dos muitos minérios da argila. A vermiculita expandida tem os mesmos empregos da argila expandida. 1.8.2) Agregados Pesados: a) Hematita: a hematita britada constitui os agregados miúdo e graúdo que são usados no preparo do concreto de alta densidade (dito “concreto pesado”) destinado à absorção de radiações em usinas nucleares (escudos biológicos ou blindagens). O grau de absorção cresce com o aumento da densidade do concreto c) Barita: pela sua alta densidade, a barita também é usada no preparo de concretos densos. 1.9) Exigências normativas da NBR 7211: 1.9.1) Granulometria: Define a proporção relativa, expressa em porcentagem, dos diferentes tamanhos de grãos que se encontram constituindo um todo. Pode ser expressa pelo material que passa ou pelo material retido por peneira e acumulado. A granulometria dos agregados é característica essencial para estudo das dosagens do concreto. Para caracterizar um agregado é, então, necessário conhecer quais são as parcelas constituídas de grãos de cada diâmetro, expressas em função da massa total do agregado. Para conseguir isto, divide-se, por peneiramento, a massa total em faixas de tamanhos de grãos e exprime-se a massa retida de cada faixa em porcentagem da massa total. Página 25 de 177 a) Peneiras (Série Normal e Série Intermediária): conjunto de peneiras sucessivas, que atendem a NBR 5734, com as seguintes aberturas discriminadas: PENEIRAS Série Série Normal Intermediária 76 mm - - 64 mm - 50 mm 38 mm - - 32 mm - 25 mm 19 mm - - 12,5 mm 9,5 - - 6,3 4,8 mm - 2,4 mm - 1,2 - 0,600 - 0,300 - 0,150 - b) Limites granulométricos do agregado miúdo Porcentagem, em massa, retida acumulada na peneira ABNT, para a Peneira ABNT Zona 1 Zona 2 Zona 3 Zona 4 (muito fina) (fina) (média) (grossa) 9,5 mm 0 0 0 0 6,3 mm 0a3 0a7 0a7 0a7 4,8 mm 0 a 5* 0 a 10 0 a 11 0 a 12 2,4 mm 0 a 5* 0 a 15* 0 a 25* 5* a 40 1,2 mm 0 a 10* 0 a 25* 10* a 45* 30* a 70 0,6 mm 0 a 20 21 a 40 41 a 65 26 a 85 0,3 mm 50 a 85* 60* a 88* 70* a 92* 80* a 95 0,15 mm 85** a 100 90** a 100 90** a 100 90** a 100 * Pode haver uma tolerância de até um máximo de cinco unidades de porcento em um só dos limites marcados com o * ou distribuídos em vários deles. ** Para agregado miúdo resultante de britamento, este limite pode ser 80. Página 26 de 177 d) Limites granulométricos do agregado graúdo A NBR 7211 classifica os agregados graúdos segundo a tabela abaixo: Porcentagens retidas acumuladas Peneiras Classificação (Graduação) 0 1 2 3 4 76 - - - - 0 63 - - - - 0 - 30 50 - - - 0 75 – 100 38 - - - 0 – 30 90 – 100 32 - - 0 75 – 100 95 – 100 25 - 0 0 – 25 87 – 100 - 19 - 0 - 10 75 – 100 95 – 100 - 12,5 0 - 90 – 100 - - 9,5 0 – 10 80 – 100 95 – 100 - - 6,3 - 92 – 100 - - - 4,8 80 – 100 95 – 100 - - - 2,4 95 – 100 - - - - d) Módulo de finura (Mf): é a soma das porcentagens retidas acumuladas em massa de um agregado, nas peneiras da série normal, dividida por 100. Exemplo: PENEIRAS (mm) MATERIAL RETIDO (g) % SIMPLES % ACUMULADO 4,8 30 3 3 2,4 70 7 10 1,2 140 14 24 0,6 320 32 56 0,3 300 30 86 0,15 120 12 98 Fundo 20 2 100 = 1000g = 100% 3 10 24 56 86 98 Mf 2,77 100 Página 27 de 177 Obs. Na tabela anterior todas as peneiras são da série normal, por isso para o cálculo do módulo de finura somou-se todos os percentuais retidos acumulados. Atenção! Os módulos de finura para a areia variam entre os seguintes limites: Muito fina: MF < 1,71 Fina: 1,72 < MF < 2,11 Média: 2,12 < MF < 2,71 Grossa: MF > 2,71 A Norma estabelece que os agregados miúdos devam se enquadrar em uma das faixas granulométricas e que a variação máxima do módulo de finura seja 0,2. e) Dimensão Máxima (Dm) : grandeza associada à distribuição granulométrica do agregado, correspondente à abertura de malha quadrada, em mm, da peneira listada na tabela 6, à qual corresponde uma porcentagem retida acumulada igual ou imediatamente inferior a 5% em massa. Na tabela acima, o diâmetro máximo do agregado é 4,8 mm, pois é na peneira 4,8 mm que o percentual retido acumulado é igual ou imediatamente inferior a 5%. Página 28 de 177 Exercício: 1) Na folha anexa, traçar a curva granulométrica do agregado que teve as seguintes massas retidas nas peneiras (em mm): 25 (850g); 19 (2150 g); 12,5 (3300 g); 9,5 (2900 g); 6,3 (500 g); de 4,8 a 0,15 (0 g) e no fundo (300 g). Calcular o módulo de finura e a dimensão máxima. Solução: Material retido Peneiras (mm) % simples % acumulado (g) 25 850 8,5 8,5 19 2150 21,5 30 12,5 3300 33 63 9,5 2900 29 92 6,3 500 5 97 4,8 0 0 97 2,4 0 0 97 1,2 0 0 97 0,6 0 0 97 0,3 0 0 97 0,15 0 0 97 Fundo 300 3 100 10000 DM = 32 mm 30 92 97 97 97 97 97 97 Mf = 7,04 100 Página 29 de 177 Curva Granulométrica 8 4 1/4" 3/8" 1/2" 3/4" 1" 1 1/4" 1 1/2" 2" 2 1/2" 3" 100 90 80 Percentagem Retida Acumulada 70 60 50 40 30 20 10 0 2,4 4,8 6,3 9,5 12,5 19 25 32 38 50 64 76 Aberturas ABNT Página 30 de 177 1.9.2) Forma dos grãos: os grãos dos agregados não tem forma geometricamente definida. a) Quanto às dimensões: Com relação ao comprimento (l), largura (l) e espessura (e), os agregados classificam-se em alongados, cúbicos, lamelares e discóides, conforme sejam as relações entre as três dimensões, que definem o coeficiente de forma. Calcários estratificados, arenitos e folhelho tendem a produzir fragmentos alongados e achatados, especialmente quando são usados britadores de mandíbula no beneficiamento. Aquelas partículas cuja espessura é relativamente pequena em relação as outras duas dimensões são chamadas de lamelares ou achatadas, enquanto aquelas cujo comprimento é consideravelmente maior do que as outras duas dimensões são chamadas de alongadas. Tabela 5 Coeficiente de forma Cascalho e areia Material de britagem Alongado c/l ~1,5 – l/e ~ 1,5 c/l ~ 2 – l/e ~ 2 Cúbico c/l ~ 1,5 – l/e ~ 1,5 c/l ~ 2 – l/e ~ 2 Lamelar c/l ~ 1,5 – l/e ~ 1,5 c/l ~ 2 – l/e ~ 2 Discóide c/l ~ 1,5 – l/e ~ 1,5 c/l ~ 2 – l/e ~ 2 c 2 l Recomenda-se que: l 2 e c l 6e Admite-se no máximo 15% dos grãos de uma amostra não atendendo as relações acima. Características dos agregados de acordo com a forma dos grãos: Índice de forma (NBR 7809) – é a relação entre a maior dimensão c (comprimento) e a menor dimensão e (espessura), determinadas por meio de paquímetros (I = c/e). O índice de um agregado é a média ponderada dos índices de 200 grãos obtidos de uma amostra quarteada. Os grãos cubóides tem I variando entre 0,25 e 0,30; para os grãos lamelares, I 0,05 e para os alongados, I = 0,64; para uma esfera, I = 1,0. Coeficiente volumétrico (AFNOR) – é a relação do volume V do grão e o da esfera de diâmetro d, sendo d a maior dimensão do grão. Página 31 de 177 É expresso por: I = 6V = 1,9 V d3 d3 Esta definição aplica-se apenas a grãos de diâmetro superior a 6,3mm. V C 1,9 Para todo o agregado, o coeficiente é d3 dado por: Recomenda-se Cv 0,20. No que se refere à textura superficial do agregado, a sua avaliação é feita pelo grau de polimento ou rugosidade da superfície da partícula, sendo função principalmente da dureza, tamanho do grão e das características dos poros da rocha matriz. Também as ações mecânicas externas colaboram para o aumento ou diminuição da rugosidade. Normalmente a simples inspeção visual é uma solução bem eficaz para a avaliação da textura superficial, uma vez que os métodos da medida da rugosidade são muito laboriosos e pouco difundidos. Quanto à influência da forma e textura superficial do agregado nas propriedades do concreto, a trabalhabilidade e a resistência mecânica parecem ser as mais afetadas. No que diz respeito às resistências mecânicas do concreto endurecido, observou-se que a forma da partícula e a sua textura superficial exercem aí grande influência. A resistência à tração na flexão é mais afetada do que à compressão, e os efeitos da forma e textura tornam- se particularmente significantes no caso de concretos de alta resistência, típicos de pavimentos. b) Quanto à conformação da superfície: * Partículas formadas por desgaste superficial contínuo tendem a ser arredondadas, pela perda de vértices e arestas, como é o caso das areias e seixos rolados formados nos leitos dos rios, e também nos depósitos eólicos em zonas marítimas, tendo geralmente uma forma bem arredondada. Agregados de rochas britadas possuem vértices e arestas bem definidos e são chamados angulosos. - angulosos: quando apresentam arestas vivas e pontas (britas); - arredondados: quando não apresentam arestas vivas (seixos). c) Quanto à forma das faces: - conchoidal: quando tem uma ou mais faces côncavas; - defeituoso: quando apresentam trechos convexos. A forma dos grãos tem efeito importante no que se refere à compacidade, à trabalhabilidade e ao ângulo de atrito interno. Página 32 de 177 A influência da forma é mais acentuada nos agregados miúdos. Argamassas de revestimento, por exemplo, se preparadas com areia artificial, ficam tão rijas que não se podem espalhar com a colher, constituindo o que se chama de argamassas duras. Os agregados naturais têm grãos cubóides, de superfície arredondada e lisa, contra as superfícies angulosas e extremamente irregulares dos grãos dos agregados industrializados. Apresentam, além disso, maior resistência à desgraduação (alteração da distribuição granulométrica por quebra de grãos). O cascalho apresenta 92,28% de grãos cúbicos, contra 70 a 90% na brita de basalto. Tornam as argamassas mais trabalháveis que os artificiais. Nos agregados artificiais, a forma dos grãos depende da natureza da rocha e do tipo de britador. O granito produz grãos de melhor forma que o basalto, que produz apreciável quantidade de grãos lamelares. Concretos preparados com agregados de britagem exigem 20% mais água de amassamento do que os preparados com agregados naturais, sendo os grãos lamelares os mais prejudiciais. Apesar disso, concretos de agregados de britagem têm maiores resistências ao desgaste e à tração, devido a maior aderência dos grãos à argamassa. 1.9.3) Substâncias nocivas: são aquelas existentes nas areias ou britas que podem afetar alguma propriedade desejável no concreto fabricado com tal agregado. a) Reatividade Álcali-Agregado (ou Reatividade Potencial): as reações álcali-agregado são processos químicos que envolvem os álcalis do cimento e agregados cujas características minerais ou texturais os tornam reativos. Seus produtos são géis alcalinos e materiais cristalinos expansivos que, desenvolvendo-se em fissuras e vazios da argamassa e, eventualmente, dos agregados, promovem a abertura e propagação das descontinuidades, com conseqüente aumento da permeabilidade e diminuição da resistência química do concreto a agentes externos. Por serem processos químicos favorecidos pela variação de umidade, ocorrem preferencialmente em concretos de barragens. A caracterização das reações álcali-agregado através de seus produtos permite avaliar o grau de comprometimento da estrutura e balizar eventuais ações para minimização dos danos decorrentes. Experimentalmente, o teor máximo de álcalis para os cimentos é determinado em 0,6% quando os agregados utilizados para produção de concretos contiverem tais minerais. b) Teor de cloretos (encontrados nas areias de dunas e praias): os cloretos têm efeito danoso em concretos destinados à estruturas armadas, porém são utilizados como aceleradores de pega. O cloreto ataca o aço das armações de modo que a seção reta de uma barra pode crescer até 16 vezes o tamanho original, lascando o concreto e expondo a armação, reduzindo a capacidade de trabalho das peças estruturais. O teor máximo de cloreto de sódio é 0,08% do peso da areia. c) Argila em torrões: partículas presentes nos agregados, suscetíveis de serem desfeitas pela pressão entre os dedos polegar e indicador, (nos agregados miúdos o máximo é de 1,5%, em peso seco). Página 33 de 177 d) Material pulverulento: material impalpável que pode ser encontrado na superfície dos grãos do agregado graúdo, o qual pode prejudicar a aderência da argamassa, reduzindo o desempenho do concreto. Nos concretos submetidos ao desgaste superficial, o percentual máximo em peso de material pulverulento é de 3,0% e para os demais concretos, 5%. e) Materiais friáveis e materiais carbonosos: (constituídos de partículas de carvão, madeira e matéria vegetal sólida, é permitido um máximo de 0,5% para concretos onde a aparência é importante e de 1,0 % para os demais concretos), assim como a argila em torrões pode desfazer- se com a pressão dos dedos. f) Fragmentos macios e friáveis: alteram a distribuição granulométrica e introduzem material de alta absorção de água, o que altera a trabalhabilidade e a resistência do concreto. g) Óleos: podem atacar quimicamente o concreto. Penetram nos poros do concreto seco e, por sua ação lubrificante reduzem a resistência do mesmo, podem destruir a aderência entre a argamassa, os grãos e a armação, resultando na desagregação do concreto. 1.10) Umidade e inchamento do agregado miúdo a) Umidade: Os vazios do agregado miúdo podem tornar-se parcial ou totalmente cheios de água. Se parcialmente cheios, o agregado diz-se úmido se, completamente cheios, o agregado diz-se saturado. A absorção de água é devida aos poros existentes no material dos grãos. Condições de umidade dos Agregados: De acordo com a figura acima, podemos descrever: - Agregado seco em estufa: isento de umidade livre, quer seja na superfície externa ou umidade interna, expelidas pelo calor. Toda a água “evaporável” do agregado foi removida pelo aquecimento a 100oC. Página 34 de 177 - Agregado seco ao ar: sem umidade superficial, mas com alguma umidade interna; - Agregado saturado com superfície seca (sss): o agregado é considerado na condição de sss quando, durante o amassamento, não absorver nenhuma parte da água adicionada nem contribuir com nenhuma de sua água contida na mistura. Qualquer agregado na condição de sss possui água absorvida (água mantida à superfície por ação físico- química) na sua superfície, desde que esta água não possa ser removida facilmente do agregado. Esta condição (sss) também pode ser descrita como sendo a fase em que todos os poros permeáveis estão preenchidos e não há um filme de água na superfície; - Agregado saturado: com água livre em excesso, o que contribui para alterar o teor de água da mistura (há umidade livre na superfície do agregado). Capacidade de absorção: é a quantidade total de água requerida para trazer um agregado da condição seca em estufa para a condição sss. Absorção efetiva: é definida como a quantidade de água requerida para trazer o agregado da condição seca ao ar para a condição sss. Umidade superficial: é a quantidade de água em excesso além da requerida para a condição sss (veja adiante mais alguns detalhes). A absorção e a umidade superficial do agregado são de grande importância nas pesquisas de concreto, pois estão diretamente ligadas à quantidade de água de amassamento. Para um mesmo agregado, maior absorção indica maior porosidade, maior grau de alteração e menor massa específica. Para efeito de dosagem, caracterização de propriedades e fabricação de concreto, o agregado deve ser considerado na condição de saturado com superfície seca (sss), que é a condição em que não absorve nem libera água livre em sua superfície, não alterando assim a quantidade de água de amassamento do concreto. A umidade dos agregados miúdos nos canteiros de obra varia de 2 a 7%, correspondendo ao inchamento que pode variai de 20 a 30% e que depende também da granulometria do material. b) Inchamento nos agregados miúdos: Nos agregados miúdos, os tamanhos dos vazios podem ser da ordem, ou até menores, que a espessura da película de água de adsorção (água que adere às superfícies dos grãos). Por isso, o agregado pode ter seus grãos afastados uns dos outros pela película de água. É o fenômeno do inchamento. Nos agregados graúdos, os tamanhos dos vazios são muito maiores que a espessura da película de água, não ocorrendo o inchamento. Podemos então dizer que inchamento é o aumento de volume que sofre a areia seca ao absorver água. Esse fenômeno deve ser levado em consideração na medida do volume da areia para os traços de concreto em volume. O efeito do inchamento da areia pode influir em até 30% na medição de seu volume. Traçando-se a curva de inchamento da areia que está sendo utilizada numa obra, pode-se conhecer a qualquer momento o seu inchamento com a determinação da umidade. A curva terá a seguinte função: Página 35 de 177 I f(h) em porcentagem Inchamento da areia em função da umidade Página 36 de 177 Algumas fórmulas para o cálculo de umidade e inchamento nos agregados miúdos: Págua h% = percentual de umidade h% 100 Págua Pah Pas Pareia seca I% = percentual de inchamento Vah= volume de areia úmida Vas = volume de areia seca h Pah = peso de areia úmida Ch h 100 Pah Pas 1 Pas = peso de areia seca 100 das = massa unitária da areia seca dah = massa unitária da areia úmida Vah Vas Ci = coeficiente de inchamento Ci I Vas Vah Vas 1 Ch = coeficiente de umidade 100 Vah Vas d as I% 100 Ci (1 C h ) 1 Vas d ah Pah Pas Vah Vas d ah d as c) Inchamento Máximo e Umidade Crítica A figura abaixo mostra o que ocorre com a areia absolutamente seca (h=0,00%) ao absorver água. C = Inchamento Crítico B = Define a Umidade Crítica Observações sobre o gráfico acima: Considerando o crescimento do teor de umidade a partir do valor nulo, verificamos que o coeficiente de inchamento cresce rapidamente, no entanto tal crescimento anula-se ao ser Página 37 de 177 atingido um determinado teor de umidade, o que depende da natureza e da granulometria da areia. Quando o teor de umidade aumenta ainda mais a partir deste ponto, o coeficiente de inchamento diminui até alcançar um valor limite, quando a areia não mais absorve água (areia saturada). No caso do gráfico acima, o máximo valor de I, foi alcançado com 6% de umidade, o chamaremos então de inchamento máximo (pelo gráfico I=1,40). Conceituamos de umidade crítica o teor de umidade a partir do qual o crescimento do coeficiente de inchamento é muito pequeno. Segundo a NBR 6467, para calcularmos a umidade crítica e o inchamento crítico devemos proceder da seguinte maneira: Ligamos o ponto A à origem das coordenadas; Traçamos a reta DB paralela à AO e tangente à curva do inchamento, obtendo-se o ponto B, o qual define a umidade crítica (B = 4,2%); Para obter o ponto C sobre a curva do inchamento, o qual define o inchamento crítico, traçamos uma reta perpendicular ao eixo x, na direção do ponto B. Denominaremos inchamento médio o valor do inchamento igual à média aritmética dos valores do inchamento máximo (1,40) e o correspondente ao do ponto C (1,38), portanto o inchamento médio será 1,39. 1.11) Outros índices de qualidade: a) Resistência à Tração: a resistência à tração também depende da direção do esforço, relativamente ao veio da pedra. É determinada pelo ensaio diametral, em que um corpo-de- prova cilíndrico é submetido a um esforço perpendicular ao eixo do cilindro. Sua ordem de grandeza oscila de 10 a 15 MPa. b) Esmagamento: quando o agregado é submetido à compressão, os grãos podem se fraturar, alterando a distribuição granulométrica. O ensaio de esmagamento, conforme a NBR 9938, submete o agregado 9,5/12,5 a um esforço de compressão de 21,5 MPa, causando o fraturamento dos grãos assim como o arredondamento de pontas e arestas, dependendo da friabilidade do material ensaiado. c) Resistência ao choque: o ensaio consiste em deixar cair sobre o corpo-de-prova (cubo de 4 cm de lado) um peso de 45 N (4,5 kg) tantas vezes quantas necessárias para esmagar o choque. Nas alvenarias, resistências da ordem de 1 kJ/m2 (102 kgm/m2) são mais do que suficientes; nas guias de calçadas devem ser da ordem de 1530 kgm/cm 2). d) Friabilidade: tendência do material a se desagregar quando submetido a tensão, mesmo moderada. Alguns fragmentos de alteração de granito são muito friáveis, esmigalham-se facilmente. Página 38 de 177 1.12) Leituras Complementares: Argamassas A eficiência de uma argamassa, seja para alvenaria, revestimento ou piso, depende da qualidade da cal e areia, como também da aplicação de traços certos para cada serviço específico. O costume nas obras é usar alguns poucos traços diferentes para uma variedade de serviços, adicionando uma quantidade maior ou menor de cimento. Os constituintes: a) Cimento: deve ser de fabricação recente, indicadas as quantidades em sacos de 50 kg. b) Cal: com poucas exceções de obras menores, usa-se quase exclusivamente cal hidratada, em sacos de 20 quilos. c) Areia: já que para os diversos tipos de aplicação das argamassas usam-se areia limpa de granulação fina, média, grossa ou média comum, contendo um pouco de argila e impureza, a quantidade a ser usada também depende do grau de umidade da areia, nas dosagens das argamassas. Em seguida são usadas as designações dos diversos tipos de areia: G = grossa M = média F = fina (peneirada) C = comum L = lavada A quantidade de areia pode ser indicada em altura de caixas (padiolas) com base de 45 x 35 cm. Para facilitar a medida de 1/2 caixa, marcar internamente a metade da altura com uma ripa triangular. O grau de umidade da areia pode ser considerado seco quando esta ficou muito tempo exposta ao sol ; com 3% de umidade, quando a areia com sua umidade original estava depositada em tempo nublado; e 5% de umidade em tempo chuvoso. A umidade é medida em relação ao peso da areia seca. Preparação da argamassa: As argamassas devem ser preparadas mecanicamente ou manualmente quando a quantidade for insuficiente para justificar o uso de um misturador. O amassamento precisa ser contínuo e durar um minuto e meio, a contar do momento em que todos os componentes da mistura, inclusive a água, tenham sido lançados no misturador. O amassamento manual é feito em masseiras, tabuleiros ou superfícies planas impermeáveis e resistentes. Mistura-se normalmente a seco os agregados, revolvendo-se os materiais com pá, até que a mescla adquira coloração uniforme. Dá-se então à mistura forma de cone e adiciona-se, paulatinamente, a água necessária no centro da cratera assim formada. O amassamento é processado com o devido cuidado para se evitar perda de água ou segregação dos materiais, até se conseguir uma massa homogênea de aspecto uniforme e consistência plástica adequada. Serão preparadas quantidades de argamassa na medida das necessidades dos serviços a executar em cada etapa, de maneira a evitar o endurecimento antes do emprego. As argamassas contendo cimento devem ser usadas dentro de duas horas e meia, a contar do primeiro contato do cimento com água. Nas argamassas de cal, contendo pequena proporção de cimento, a sua adição se realiza no momento do emprego. Não utilizar argamassa que apresente vestígios de endurecimento. É expressamente vedado reamassá-la. Não é admitido mesclar o cimento Portland com gesso, dada a incompatibilidade desses materiais. Argamassas de gesso necessitam de um aditivo retardador de pega. Esta leitura complementar foi retirada do livro “Manual Prático de Materiais de Construção” do autor Ernesto Ripper, editora Pini. Página 39 de 177 Falando um pouco sobre areia para concreto Deve-se dar especial atenção ao uso dos agregados no concreto e nas argamassas, considerando que o maior volume destes elementos importantes de uma construção é formado por estes agregados, que são materiais menos homogêneos, usados no canteiro de obra. Além da necessidade de verificar a qualidade da matéria-prima e da escolha das dimensões e das proporções entre miúdos e graúdos, uma especial atenção deve ser dada às impurezas ainda que admissíveis, conforme suas quantidades e as diversas aplicações. As impurezas podem ser húmus, torrões de argila, ramos, carvão, .... Húmus prejudica a pega e o endurecimento do concreto, diminuindo sua resistência. O ácido húmico neutraliza a água da argamassa e forma uma película sobre os grãos de areia, diminuindo a aderência com a pasta de cimento ou cal. Torrões de argila têm pouca resistência e originam vazios que diminuem a resistência do concreto e a eficiência da argamassa. Carvão pode intumescer (endurecer), rachar e desagregar o concreto e perturbar o endurecimento do concreto e argamassa. Veremos adiante um pouco mais sobre as impurezas nos agregados- Areia para concreto A areia para concreto deve ser grossa, lavada e limpa. A areia fina não é recomendável, pois compromete a resistência do concreto. Além das impurezas já assinaladas, não deve haver mica e partículas vegetais. Impurezas com teor maior do que 3% em volume, sendo material carbonoso no máximo 1%, para concreto comum, e 0,5% para concreto aparente, prejudicam a qualidade do concreto. A cor escura da areia é indício de material orgânico, exceto quando esta se origina de rochas escuras. Antes do uso da areia, deve-se diariamente verificar o seu teor de umidade, para determinar a variação da quantidade de areia e da água a ser usada na dosagem. Veja abaixo: - Quando a areia chega do porto em tempo seco, pode-se considerar o aumento do volume da areia em 3%, em tempo chuvoso, em 5%. - No caso de concreto aparente, deve-se usar sempre a mesma qualidade de areia e do mesmo fornecedor, para evitar alteração da coloração do concreto aparente. - Argila e silte envolvem os grãos dos agregados, formando películas que não se separam durante a mistura, reduzindo a aderência entre a pasta e a areia, em detrimento da resistência do concreto e aumentando sua retração, Quanto ao transporte: No recebimento da areia deve-se considerar que, durante o transporte no caminhão, a areia se assente, diminuindo o volume a fornecer. Por esse motivo o pessoal do caminhão revolve a areia antes de chegar ao canteiro. Assim sendo, não se pode calcular a quantidade certa em volume de areia fornecida. O volume de areia deve ser medido na boca da betoneira. A descarga deve ser feita diretamente na boca larga dos depósitos de agregados. Quanto a estocagem: O depósito de areia deve ser feito em terreno seco e plano, com proteção contra invasão de água durante as chuvas. Para não dispersar areia, recomenda-se fazer em volta deste depósito uma barreira de tábuas. Se houver chuvas fortes e prolongadas, convém cobrir a areia com uma manta plástica. Página 40 de 177 BIBLIOGRAFIA: - Materiais de construção; Falcão Bauer. - Concreto – Estrutura, propriedades e materiais; Kumar Mehta e Paulo Monteiro. - Manual prático de Materiais de construção; Ernesto Ripper; Editora Pini. - Normas Técnicas (NBR 7211) Página 41 de 177 ENSAIOS DE LABORATÓRIO - AGREGADOS DETERMINAÇÃO DA COMPOSIÇÃO GRANULOMÉTRICA DE AGREGADOS PARA CONCRETOS E ARGAMASSAS (Este texto teve como base as normas NBR 7217 e NBR 7211) 1. OBJETIVO Caracterizar os agregados quanto ao tamanho e à distribuição de suas partículas. 2. DEFINIÇÕES 2.1. SÉRIE DE PENEIRAS NORMAL E INTERMEDIÁRIA São um conjunto de peneiras sucessivas caracterizadas pelas aberturas da malha. 2.2. DIMENSÃO MÁXIMA CARACTERÍSTICA (DMC) Corresponde à abertura nominal, em mm, da malha da peneira da série normal ou intermediária na qual o agregado apresenta uma porcentagem retida acumulada igual ou imediatamente inferior a 5% em massa. 2.3. MÓDULO DE FINURA Soma das porcentagens retidas acumuladas em massa de um agregado, nas peneiras série normal, dividida por 100. O módulo de finura é uma grandeza adimensional e deverá ser apresentado com aproximação de 0,01. 3. APARELHAGEM Balança com resolução de 0,1% da massa da amostra de ensaio; Estufa para secar a amostra; Peneiras das séries normal e intermediária, tampa e fundo; Pincel Página 42 de 177 4. PROCEDIMENTO A amostra para o ensaio deverá ser colhida no canteiro de obra, tendo-se o cuidado de colher material de diferentes locais onde o agregado está armazenado, tendo em vista sempre sua representatividade; No laboratório, a amostra deverá ser colocada em estufa para posterior quarteamento. Este procedimento garantirá uma amostra representativa. O ensaio deverá ser realizado com duas amostras. A massa mínima, por amostra de ensaio é estimada de acordo com a tabela abaixo, onde a DMC é estimada. Após o ensaio, deve-se verificar se houve compatibilidade entre a DMC real com as massas utilizadas nas amostras. Encaixam-se as peneiras observando-se a ordem crescente (base para topo) da abertura das malhas. Coloca-se a amostra na peneira superior e executa-se o peneiramento, que pode ser manual ou mecânico. Pesa-se o material que ficou retido em cada peneira. Procede-se novamente o peneiramento até que, após 1 minuto de agitação contínua, a massa de material passante pela peneira seja inferior a 1% do material retido. Confere-se a massa total do material retido nas peneiras e no fundo com a massa seca inicial da amostra. A diferença não pode ultrapassar 0,3% da massa inicial. A diferença pode ter sido causada ou por perda de material ou por questão de sensibilidade da balança utilizada no ensaio. Página 43 de 177 5. RESULTADOS OBSERVAÇÕES: O somatório de todas as massas retidas nas peneiras e no fundo não pode diferir mais de 0,3% da massa inicial da amostra; A porcentagem retida em cada peneira, por amostra, deve ser apresentada com aproximação de 0,1% As amostras devem apresentar necessariamente a mesma dimensão máxima característica; Para uma mesma peneira, os valores da porcentagem retida não devem diferir mais de quatro unidades entre as amostras; As porcentagens médias retidas e acumuladas devem ser apresentadas com aproximação de 1%. Página 44 de 177 6. ANEXOS 6.1. METODOLOGIA DE CÁLCULO COLUNA A e B: São anotadas as massas medidas na balança COLUNA C: Razão entre o valor da coluna A pelo TOTAL da coluna A, multiplicado por 100. Valor expresso em porcentagem com aproximação de 0,1%. COLUNA D: É igual a soma do valor da respectiva linha da coluna C pelo valor da linha anterior na coluna D. Aproximação de 0,1%. COLUNA E: Razão entre o valor da coluna B pelo TOTAL da coluna B, multiplicado por 100. Valor expresso em porcentagem com aproximação de 0,1%. COLUNA F: É igual a soma do valor da respectiva linha da coluna E pelo valor da linha anterior na coluna F. Aproximação de 0,1%. COLUNA G: Média entre valores da coluna C e E, com aproximação de 1%. COLUNA H: É igual a soma do valor da respectiva linha da coluna G pelo valor da linha anterior na coluna H. Aproximação de 1%. 6.2. T ABELAS Página 45 de 177 DETERMINAÇÃO DA MASSA UNITÁRIA (COM BASE NA NBR 7251) 1. OBJETIVO Este ensaio tem como objetivo a determinação da massa unitária de agregados, graúdos e miúdos. 2. APLICAÇÃO A massa unitária é utilizada para conversão de traços, de concretos e argamassas, de massa para volume. 3. DEFINIÇÃO a. MASSA UNITÁRIA DE UM AGREGADO NO ESTADO SOLTO É a razão entre a massa de um agregado lançado em um recipiente e o volume deste recipiente. 4. APARELHAGEM Balança com resolução de 0,5% da massa da amostra de ensaio; Recipiente metálico, com volume conforme TABELA I abaixo; 5. RECOMENDAÇÕES A amostra a ser ensaiada deverá ter no mínimo o dobro do volume do recipiente utilizado; O ensaio poderá ser feito com amostra seca ou úmida, para o último caso a umidade deverá ser determinada com aproximação de 0,1%; 6. PROCEDIMENTO Lança-se a amostra, através de concha ou pá, a uma altura de 10 a 12 cm do topo do recipiente até preenchê-lo completamente; Quando o agregado for miúdo, alisa-se sua superfície com régua. Quando se tratar de agregado graúdo as saliências devem ser, aproximadamente, compensadas pelas cavidades; Pesa-se todo o material. O valor da massa do agregado é a diferença entre a massa total (agregado + recipiente) e a tara do recipiente, previamente determinado pelo laboratorista. 7. RESULTADOS Devem-se realizar pelo menos três determinações de massa unitária, adotando-se como resultado a média entre estas; Os resultados individuais de cada ensaio não devem apresentar desvios maiores que 1% em relação a média; A massa unitária é dada em kg/dm³, com aproximação de 0,01 Kg/dm³. Página 46 de 177 Página 47 de 177 DETERMINAÇÃO DA MASSA ESPECÍFICA DE AGREGADOS MIÚDOS POR MEIO DO FRASCO CHAPMAN 1. NORMA DE REFERÊNCIA NBR-9776, CB-18, 1986, MB-2643. Agregados – Determinação da Massa Específica de Agregados Miúdos por Meio do Frasco Chapman. 2. OBJETIVO Esta Norma prescreve o processo de determinação da massa específica de agregados miúdos para concreto pelo frasco de Chapman. 3. DEFINIÇOES 3.1. Massa Específica Relação entre a massa do agregado seco em estufa (100°C a 110°C) até constância de massa e o volume Igual do sólido. Incluídos os poros impermeáveis. 4. APARELHAGEM Balança com capacidade mínima de 1 kg e sensibilidade de 1g ou menos; Frasco composto de dois bulbos e de um gargalo graduado. No estrangulamento existente entre os dois bulbos deve haver um traço que corresponde a 200 cm3, e acima dos bulbos situa-se o tubo graduado de 375 cm3 a 450 cm3, conforme figura. 5. AMOSTRA A amostra deve ser seca em estufa (105°C –110°C) até constância de massa. 6. EXECUÇÃO DO ENSAIO Colocar água no frasco até marca de 200 cm3 deixando-o em repouso, para que a água aderida às faces internas escorra totalmente em seguida introduzir, cuidadosamente, 500 g de agregado miúdo seco no frasco, o qual deve ser devidamente agitado para eliminação das bolhas de ar. A leitura do nível atingido pela água no gargalo do frasco indica o volume, em cm3, ocupado pelo conjunto água-agregado miúdo, alertando-se para que as faces internas devam estar completamente secas e sem grãos aderentes. 7. RESULTADOS 7.1. A massa específica do agregado miúdo é calculada mediante a expressão: Página 48 de 177 Página 49 de 177 DETERMINAÇÃO DA UMIDADE DE AGREGADOS 1. OBJETIVO Descrever o método de ensaio da umidade de agregados. 2. DEFINIÇÕES Na figura abaixo se pode observar as quatro condições em que uma partícula de um material pode apresentar., as quais encontram-se descritas abaixo. Seco em estufa (figura 01) – Devido à alta e constante temperatura que uma estufa pode manter, o agregado encontra-se completamente seco, tanto no seu exterior quanto no seu interior (vazios permeáveis); Seco ao ar (figura 02) – Como a temperatura ao ar livre é menor e possui uma variabilidade maior do que na estufa, o agregado tem a sua superfície seca, porém, os poros permeáveis mais internos não são completamente secos, havendo assim, umidade residual na partícula representada pela área menos escura na figura. Saturado superfície seca (figura 03) – Neste caso todos os poros permeáveis encontram-se saturados e a superfície do agregado encontra-se seco. Essa situação é encontrada na prática de determinação de absorção e massa específica de agregados graúdos; Saturado (figura 04) – Semelhante ao caso anterior, porém, há água na superfície do agregado. 2.1. UMIDADE É a relação da massa total de água que envolve o agregado e a sua massa seca. 2.2. Absorção É o teor de umidade no estado saturado, superfície seca. 2.3. Coeficiente de umidade É um número que multiplicado pela massa úmida obtém-se a massa seca. Página 50 de 177 3. APARELHAGEM Estufa capaz de manter a temperatura entre 105 e 110° C; Frasco Chapman; Aparelho Speedy e acessórios; Frigideira. 4. ENSAIO 4.1. Métodos de determinação da umidade a) Através da secagem em estufa b) Frasco de Chapman, em agregado miúdo -NBR –9775 c) Secagem por aquecimento ao fogo d) Método do Umidímetro de Speedy 4.1.1. Teor de umidade - secagem em estufa a) Aparelhagem: balança estufa recipiente b) Amostra: 500 g de areia úmida c) Execução: Pesar a amostra úmida - mh Colocar na estufa, a temperatura entre 105 °C a 110 °C Determinar a massa da amostra em intervalos de pelo menos 2 h até a constância de massa -ms. d) Resultados: 4.1.2. Determinação do teor de umidade pelo Frasco de Chapman a) Aparelhagem: balança frasco de Chapman pipeta, funil b) Amostra: 500 g de areia úmida Página 51 de 177 c) Execução Pesar a amostra Colocar água no frasco até a divisão de 200 cm3 Introduzir as 500 g de areia .Executar a leitura L d) Resultados Página 52 de 177 AGLOMERANTES (Estes apontamentos são trechos de diversos trabalhos extraídos via internet e livros. Os créditos são apontados nos títulos de cada tópico.) 1. DEFINIÇÃO E USO (trecho extraído de “Materiais de Construção – Araujo, Rodrigues & Freitas”, www.ufrrj.br, em 31/03/2010.) Aglomerante é o material ativo, ligante, em geral pulverulento, cuja principal função é formar uma pasta que promove a união entre os grãos do agregado. São utilizados na obtenção das argamassas e concretos, na forma da própria pasta e também na confecção de natas. As pastas são, portanto, misturas de aglomerante com água. São pouco usadas devido aos efeitos secundários causados pela retração. Podem ser utilizadas nos rejuntamentos de azulejos e ladrilhos. As natas são pastas preparadas com excesso de água. As natas de cal são utilizadas em pintura e as de cimento são usadas sobre argamassas para obtenção de superfícies lisas. 2. CLASSIFICAÇÃO DOS AGLOMERANTES (trecho extraído de “Materiais de Construção – Araujo, Rodrigues & Freitas”, www.ufrrj.br, em 31/03/2010.) Os aglomerantes podem ser classificados, quanto ao seu princípio ativo, em: aéreos: são os aglomerantes que endurecem pela ação química do CO 2 no ar, como por exemplo a cal aérea. hidráulicos: são os aglomerantes que endurecem pela ação exclusiva da água, como por exemplo a cal hidráulica, o cimento Portland, etc. Este fenômeno recebe o nome de hidratação. poliméricos: são os aglomerantes que tem reação devido a polimerização de uma matriz. 3. CAL (trecho extraído de “Materiais de Construção – Araujo, Rodrigues & Freitas”, www.ufrrj.br, em 31/03/2010.) É o produto obtido pela calcinação de rochas calcárias a temperaturas elevadas. Existem três tipos de cales: cal aérea (cal virgem e cal hidratada) e a cal hidráulica. 3.1. CAL VIRGEM É o aglomerante resultante da calcinação de rochas calcárias (CaCO 3) numa temperatura inferior a de fusão do material (850 a 900° C). Além das rochas calcárias, a cal também é obtida de resíduos de ossos e conchas de animais. O fenômeno ocorrido na calcinação do calcário é o seguinte: Ca CO3 + calor (900°C) ⇒ Ca O + CO2 Calcário + calor ⇒ cal virgem + gás carbônico Página 53 de 177 O produto que se obtém com a calcinação do carbonato de cálcio recebe o nome de cal virgem, ou cal viva (CaO), que ainda não é o aglomerante usado em construção. O óxido deve ser hidratado para virar hidróxido de cálcio Ca(OH)2 denominado de cal extinta ou cal queimada. CaO + H2O => Ca (OH)2 Cal virgem + água => Cal extinta + calor O processo de hidratação da cal virgem é executado no canteiro de obras. As pedras são colocadas em tanques onde ocorre a sua extinção ao se misturarem com a água. O fenômeno de transformação de cal virgem em cal extinta é exotérmico, isto é, se dá com grande desprendimento de calor (250 cal/g, podendo em alguns casos a temperatura atingir 400°C), o que torna o processo altamente perigoso. Após a hidratação das pedras, o material deverá descansar por 48 horas no mínimo, antes de ser utilizado na obra. As argamassas de cal, inicialmente, têm consistência plástica, mas endurecem por recombinação do hidróxido com o gás carbônico, presente na atmosfera (daí o nome cal aérea), voltando ao seu estado inicial de carbonato de cálcio. Ca (OH)2 + CO2 ⇒ CaCO3 + H2O Cal extinta + gás carbônico ⇒ Carbonato de cálcio + água A cal viva ou cal virgem é distribuída no comércio em forma de pedras, como saem do forno ou mesmo moídas e ensacadas. 3.2. CAL HIDRATADA Cal hidratada é um produto manufaturado que sofreu em usina o processo de hidratação. É apresentada como um produto seco, na forma de um pó branco de elevada finura. A cal é encontrada no mercado em sacos de 20 kg. A cal hidratada oferece sobre a cal virgem algumas vantagens, entre elas: • maior facilidade de manuseio, por ser um produto pronto, eliminando do canteiro de obras a operação de extinção; • maior facilidade de transporte e armazenamento. 3.3. CAL HIDRÁULICA Este tipo de cal é um aglomerante hidráulico, ou seja, endurece pela ação da água, e foi muito utilizado nas construções mais antigas, sendo posteriormente, substituído pelo cimento Portland. 3.4. APLICAÇÃO DA CAL A cal pode ser utilizada como único aglomerante em argamassas para assentamento de tijolos ou revestimento de alvenarias ou em misturas para a obtenção de blocos de solo/cal, blocos sílico/calcário e cimentos alternativos. Durante muito tempo a cal foi largamente empregada em alvenarias, que vêm atravessando muitos séculos de vida útil. Atualmente o maior emprego da cal se dá, misturada ao cimento Portland. Por causa da elevada finura de seus grãos (2 μm de diâmetro), e conseqüente capacidade de proporcionar fluidez, coesão (menor suscetibilidade à fissuração) e retenção de água, a cal melhora a qualidade das argamassas. A cal confere uma maior plasticidade as pastas e argamassas, permitindo que elas tenham maiores deformações, sem fissuração, do que teriam com cimento Portland somente. As argamassas de cimento, contendo cal, retêm mais água de amassamento e assim permitem uma melhor aderência. Página 54 de 177 A cal também é muito utilizada, dissolvida em água para pinturas, na proporção de mais ou menos 1,3 gramas por litro de água. A esta solução chama-se nata de cal e sua utilização é conhecida como caiação. As tintas de cal, além do efeito estético, têm, também, efeito asséptico, devido a sua alta alcalinidade (PH alto). 4. GESSO (trecho extraído de “Materiais de Construção – Araujo, Rodrigues & Freitas”, www.ufrrj.br, em 31/03/2010.) 4.1. DEFINIÇÃO Dos aglomerantes utilizados na construção civil, o gesso é o menos utilizado no Brasil. No entanto, ele apresenta características e propriedades bastante interessantes, dentre as quais, pode-se citar o endurecimento rápido, que permite a produção de componentes sem tratamento de aceleração de endurecimento. A plasticidade da pasta fresca e a lisura da superfície endurecida são outras propriedades importantes. O gesso é um aglomerante de pega rápida, obtido pela desidratação total ou parcial da gipsita, seguido de moagem e seleção em frações granulométricas em conformidade com sua utilização. A gipsita é constituída de sulfato de cálcio mais ou menos impuro, hidratado com duas moléculas de água. As rochas são extraídas das jazidas, britadas, trituradas e queimadas em fornos. CaSO4 + 2H2O De acordo com a temperatura do forno o sulfato de cálcio bi-hidratado se transforma em três diferentes substâncias: 1ª Fase - gesso rápido ou gesso estuque (CaSO4 + 2H2O) + calor = 150 °C ⇒ (CaSO4 + ½ H2O) 2ª Fase - gesso anidro solúvel (CaSO4 + 2H2O) + 150 °C < calor < 300 °C ⇒ CaSO4 3ª Fase - gesso anidro insolúvel (CaSO4 + 2H2O) + Calor > 300 °C ⇒ CaSO4 O gesso é um aglomerante de baixo consumo energético. Enquanto a temperatura para processamento do cimento Portland é da ordem de 1450 °C, a da cal entre 800 e 1000 °C, a do gesso não ultrapassa 300 °C. As propriedades aglomerantes do gesso devem-se à hidratação do sulfato de cálcio semi- hidratado e do sulfato de cálcio solúvel que reconstituem o sulfato de cálcio bi-hidratado. 4.2. APLICAÇÕES DO GESSO Devido a sua principal característica, o rápido endurecimento, o gesso presta-se à moldagem. Quanto a suas principais aplicações destacam-se: • material de revestimento (estuque); • placas para rebaixamento de teto (forro); • painéis para divisórias; • elementos de ornamentação, como: sancas, florões, etc. Página 55 de 177 5. CIMENTO PORTLAND (texto extraído da Associação Brasileira de Cimento Portland, www.abcp.org.br, 31/03/2010) Cimento Portland é a denominação técnica utilizada mundialmente para o material conhecido como cimento. Trata-se de um pó fino, com propriedades aglomerantes, que endurece sob a ação da água. Depois de endurecido, mesmo em contato novamente com a água, o cimento Portland não se decompõe. A mistura com água e outros materiais de construção (pedra, areia e cal) possibilita a produção de concretos e argamassas utilizados na construção de casas, edifícios, pontes, barragens e estradas. As características e propriedades desses produtos dependem da qualidade e proporções dos materiais que os compõe. Entre estes, o cimento é o mais ativo do ponto de vista químico, sendo responsável pela transformação da mistura no produto final desejado (uma laje, viga, revestimento, etc). Este aglomerante hidráulico finamente moído, obtido pela mistura homogênea de clínquer (calcário e argila cozidos ou calcinados em fornos a altas temperaturas e resfriados bruscamente), sulfato de cálcio (gesso) e adições normalizadas, com o acréscimo de água, formam uma pasta homogênea, capaz de endurecer o insumo e conservar essa capacidade mesmo quando submersa. 5.1 – FABRICAÇÃO DO CIMENTO PORTLAND – (para ver animação da figura 01 ir em www.abcp.org.br/conteudo/?p=144) Figura 01 – Fluxograma de fabricação de cimento, em www.abcp.org.br , em 31/03/2010 Etapa 01 – Extração: Calcário e argila: O calcário é a principal matéria-prima para a fabricação do cimento. Sua extração pode ocorrer de jazidas subterrâneas ou a céu aberto- situação mais comum no Brasil. Na etapa de extração, utilizam-se explosivos para o desmonte de rocha. Outro componente extraído nesta etapa é a argila. Em ambos os casos, um plano de gerenciamento de exploração mineral é necessário para preservar o ambiente. Página 56 de 177 Etapa 02 – Britagem: O calcário extraído é transportado em caminhões até a instalação de britagem, onde é reduzido a dimensões adequadas ao processamento industrial. Esse tratamento permite eliminar uma grande parte de impurezas presentes no calcário. A argila, por se mole, não passa pela britagem. Etapa 03 – Depósito: Calcário e argila são estocados separadamente. Na báia de cada material, um equipamento se encarrega de misturar as cargas, a fim de assegurar uma pré-homogeneização. Nesta fase, as matérias-primas são submetidas a diversos ensaios. Etapa 04 – Dosagem: O composto calcário (90%) e a argila (10 %) são dosados para ser triturados no moinho de cru. Essa dosagem é efetuada com base em parâmetros químicos preestabelecidos – os chamados módulos químicos, que dependem das características composicionais dos materiais estocados e são controlados por balanças dosadoras. Etapa 05 – Moinho de cru: A farinha crua formada pela mistura de calcário e argila passa por moagem em moinho de bolas, rolo ou barras, onde se processa o início da mistura das matérias-primas e ao mesmo tempo sua pulverização, de modo a reduzir o tamanho das partículas a 0,050 mm em média. Etapa 06 – Silos de homogeneização (mistura crua): A mistura crua, devidamente dosada e com a finura adequada, conhecida como farinha, deve ter a sua homogeneização assegurada para permitir uma perfeita combinação dos elementos formadores do clínquer. A homogeneização é executada em silos verticais de grande porte através de processos pneumáticos e por gravidade. Etapa 07 – Forno rotativo – pré-aquecimento (clinquerização): Dos silos de homogeneização a farinha é introduzida no forno, passando antes por pré- aquecedores (ou pré-calcinadores), equipamentos que aproveitam o calor dos gases provenientes do forno e promovem o aquecimento inicial do material. No forno rotativo, constituído de um cilindro de aço (revestido por tijolos refratários) com comprimento de 50m a 150m e diâmetro de 6m, a mistura é calcinada até 1450°C, resultando no clínquer , produto com aspecto de bolotas escuras. Etapa 08 – Resfriador: Um resfriador promove a redução da temperatura a 80°C, aproximadamente. A clinquerização se completa nesta etapa, quando ocorre uma série de reações químicas que influenciarão a resistência mecânica do concreto nas primeiras idades, o calor de hidratação, o início de pega e a estabilidade química dos compostos. Etapa 09 – Depósito de clínquer: A principal matéria-prima do cimento fica armazenada em silos, aguardando a próxima etapa. Página 57 de 177 Etapa 10 – Adições: Junto com clínquer, adições de gesso, escória de alto forno, pozolana e o próprio calcário compõem os diversos tipos de cimento portland. Essas substâncias são estocadas separadamente, antes de entrarem no moinho de cimento. Etapa 11 – Moinho de cimento: É na moagem final que o clínquer, adicionado ao gesso ou outras adições, resulta no cimento tal como o conhecemos. Etapa 12 – Silos de cimento: O cimento resultante da moagem do clínquer e outras adições é transportado mecânica e pneumaticamente para os silos de cimento, onde é estocado. Após os ensaios finais de qualidade, o produto é enviado para expedição. – Expedição: A remessa do cimento ao mercado consumidor pode ser feita de duas maneiras: a granel ou em sacos. O ensacamento é feito em máquinas especiais, que automaticamente enchem os sacos e os liberam assim que atingem o peso especificado. A embalagem é feita em papel Kraft, que garante o perfeito manuseio pelo consumidor. Figura 02 – Segunda ilustração da fabricação do cimento ( “Materiais de Construção – Araujo, Rodrigues & Freitas”, www.ufrrj.br, em 31/03/2010) Página 58 de 177 Figura 03 - Jazida de calcário Figura 04 - Britagem do calcário Figura 05 - Moinho de Crus (calcário + argila) Figura 06 - Forno de clinquerização 5.2 – MATÉRIAS-PRIMAS BÁSICAS PARA A FABRICAÇÃO DO CIMENTO Figura 07 - Matérias primas básicas para a fabricação do cimento portland (“Materiais de Construção – Araujo, Rodrigues & Freitas”, www.ufrrj.br, em 31/03/2010) Página 59 de 177 5.3 – COMPOSIÇÃO QUÍMICA DAS PRINCIPAIS MATÉRIAS-PRIMAS DO CIMENTO PORTLAND. (“Materiais de Construção – Araujo, Rodrigues & Freitas”, www.ufrrj.br, em 31/03/2010) O cimento Portland é composto de clínquer, com adições de substâncias que contribuem para suas propriedades ou facilitam o seu emprego. Na realidade, são as adições que definem os diferentes tipos de cimento. O clínquer tem como matérias-primas o calcário e a argila. A rocha calcária é primeiramente britada, depois moída e em seguida misturada, em proporções adequadas, com argila, também moída. Essa mistura atravessa então, um forno giratório, cuja temperatura interna chega a alcançar 1450°C, atingindo uma fusão incipiente. Esse calor é que transforma a mistura, no clínquer, que se apresenta primeiramente na forma de pelotas. Na saída do forno, o clínquer ainda incandescente é bruscamente resfriado, e finamente moído, transformando-se em pó. No clínquer em pó está a essência do cimento, pois é ele quem tem a característica de desenvolver uma reação química, na presença da água, cujas conseqüências físicas, são, primeiramente, tornar-se pastoso, portanto moldável e, em seguida endurecer, adquirindo elevada resistência e durabilidade. Detalhando um pouco, podemos dizer que a mistura moída de calcário e argila ao atingir a fusão incipiente (±30% de fase líquida), apresenta reações entre o carbonato de cálcio (CaCO3), presente no calcário e os diversos óxidos (SiO2, Al2O3, Fe2O3, etc.) presentes na argila, formando silicatos e aluminatos, que apresentam reações de hidratação, podendo, então, o material resultante apresentar resistência mecânica. Os principais silicatos formados na calcinação do calcário e da argila são: • silicato dicálcico 2CaO.SiO2 (C2S) • silicato tricálcico 3CaO.SiO2 (C3S) • aluminato tricálcico 3CaO.Al2O3 (C3A) • ferro aluminato tetracálcico 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF) A mistura de cimento e água forma uma solução alcalina de PH entre 11 e 13, na qual os silicatos se solubilizam, saturando a solução e se depositando, na forma de hidratados insolúveis que formam cristais que se entrelaçam, tomando a mistura a forma de um sólido. Os teores médios dos componentes dos cimentos brasileiros são dados na Tabela 1. Tabela 01 - Teores médios dos componentes dos cimentos brasileiros. Página 60 de 177 A Figura 08 mostra o comportamento mecânico dos componentes hidratáveis do cimento. FIGURA 08 - Comportamento mecânico dos compostos de cimento (Petrucci, 1979). Analisando a figura 08 verifica-se que: a) o silicato tricálcico (C3S) é o maior responsável pela resistência em todas as idades, especialmente no primeiro mês de vida; b) o silicato dicálcico (C2S) é o maior responsável pelo ganho de resistência em idades mais avançadas, principalmente, após um ano de idade; c) o aluminato tricálcico (C3A) contribui para ganhos de resistência especialmente no primeiro dia; d) o ferro aluminato tetracálcico (C4AF) pouco contribui para a resistência do cimento; e e) o silicato tricálcico (C3S) e o aluminato tricálcico (C3A) muito contribuem para a liberação do calor de hidratação do cimento, devido ao grande ganho de resistência que apresentam no 1º dia. Página 61 de 177 As adições são as outras matérias-primas, que misturadas ao clínquer na fase de moagem, fazem com que se obtenham os diversos tipos de cimento Portland disponíveis no mercado. As principais matérias-primas adicionadas ao clínquer são: o gesso, as escórias de alto-forno, os materiais pozolânicos e os materiais carbonáticos. A contribuição de cada uma destas adições, às propriedades finais do cimento pode ser resumida da seguinte forma: • gesso: tem como função básica regular o tempo de pega do cimento; • escória de alto-forno: é o subproduto obtido durante a produção de ferro-gusa nas indústrias siderúrgicas, resultante do processo de fusão do minério de ferro, com cal e carvão. A escória se separa do ferro gusa por diferença de densidade. Quimicamente, é composta de uma série de silicatos que ao serem adicionados ao clínquer do cimento, são capazes de sofrer reações de hidratação e posterior endurecimento. A adição de escória contribui para a melhoria de algumas propriedades do cimento, como, por exemplo, a durabilidade e a resistência à agentes químicos; • materiais pozolânicos: são rochas vulcânicas ou matérias orgânicas fossilizadas encontradas na natureza, certos tipos de argilas queimadas em elevadas temperaturas e derivados da queima de carvão mineral nas usinas termelétricas, entre outros. Esses materiais, também apresentam propriedades ligantes, se bem que de forma potencial (para que passem a desenvolver a propriedade de ligante não basta a água, é necessária a presença de mais outro material, por exemplo, o clínquer). O cimento com adição desse material apresenta a vantagem de conferir maior impermeabilidade às misturas com ele produzida; • materiais carbonáticos: são minerais moídos e calcinados. Contribui para tornar a mistura mais trabalhável, servindo como um lubrificante entre as partículas dos demais componentes do cimento. Segundo consta no livro “Propriedades do Concreto, de Adam M. Neville”, além dos compostos principais, relacionados na Tabela 01, existem compostos secundários, como o M gO, TIO2, MnO2, K2O e Na2O; eles não chegam a mais do que uma pequena porcentagem da massa de cimento. Dois compostos secundários apresentam particular interesse: os óxidos de sódio e de potássio, Na2O e K2O, conhecidos como os álcalis (embora existam também outro álcalis no cimento). Descobriu-se que eles reagem com alguns agregados, de modo que os produtos dessa reação provocam a desintegração do concreto, e também se constatou que eles influenciam a velocidade de aumento de resistência do cimento. 5.3.1 SEQUÊNCIA DE REAÇÕES EM UM FORNO. (extraído de “Química Tecnológica do Concreto” de Prof. Sonia Zanello, em www.utfpr.edu.br , em 02/04/2010.) Durante a fase de clinquerização (forno rotativo) a mistura do calcário e argila apresenta uma série de reações químicas entre seus componentes gerando uma sequência conforme mostra a Tabela 02. Página 62 de 177 TABELA 02 – Sequência de reações em um forno. Abreviações: CaO.................C SiO2.................S Al2O3 ...............A MgO……….…M Fe2O3...............F H2O…………...H SO3 .................S Composição típica de um clínquer de cimento portland 67% CaO (C), 22% SiO2 (S), 5% Al2O3 (A), 3% Fe2O3 (F) e 3% de outros óxidos fases cristalinas anidras metaestáveis na temperatura ambiente e estáveis ao serem hidratados alita (C3S): 50 – 70% belita (C2S): 15 – 30% aluminato tricálcico (C3A): 5-10% ferroaluminato tetracálcico (C4AF): 5- 15% Página 63 de 177 Outros compostos em menor quantidade Na2O, MnO e K2O, magnésio, enxofre e fósforo elementos traços: Cr, Pb, Zn, V, Ni e outros, (provenientes das MP e combustíveis (estes normalmente portando os resíduos). 5.4 - NORMAS TÉCNICAS E CONTROLE DE QUALIDADE DO CIMENTO PORTLAND. (extraído do “Guia básico de utilização do cimento portland, www.abcp.org.br, em 31/03/2010.) As determinações da qualidade e da quantidade das matérias-primas que vão constituir os diversos tipos de cimento portland não podem ser feitas atendendo simplesmente à vontade unilateral de um produtor ou de um consumidor. No País a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) prepara e divulga normas técnicas que são usadas no mercado como padrão de referência. As normas técnicas definem não somente as características e propriedades mínimas que os cimentos portland devem apresentar como, também, os métodos de ensaio empregados para verificar se esses cimentos atendem às exigências das respectivas normas. Existem no Brasil 56 fábricas de cimento portland e todas elas atendem às exigências das normas técnicas determinadas pela ABNT. A qualidade é aferida pela Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP), entidade de Utilidade Pública Federal, com base nas normas da ABNT e nos princípios do Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (INMETRO). Quando um saco de cimento apresenta o Selo de Qualidade ABCP, isto significa que o produto nele contido está de acordo com as normas técnicas brasileiras, ou que atende a essas normas, ou, ainda, que foi produzido em conformidade com as exigências dessas normas. Todas as fábricas brasileiras de cimento instalaram em seu processo de produção, desde a extração do calcário na jazida, até o ensacamento do cimento no final da linha, um complexo sistema de controle de qualidade, de modo que as exigências feitas pelas normas brasileiras aos cimentos portland sejam cumpridas. 5.5 – PRINCIPAIS TIPOS DE CIMENTO PORTLAND. (extraído do “Guia básico de utilização do cimento portland, www.abcp.org.br, em 31/03/2010.) Existem no Brasil vários tipos de cimento portland, diferentes entre si, principalmente em função de sua composição. Os principais tipos oferecidos no mercado, ou seja, os mais empregados nas diversas obras de construção civil são: • cimento portland comum; • cimento portland composto; • cimento portland de alto-forno; • cimento portland pozolânico. Em menor escala são consumidos, seja pela menor oferta, sejam pelas características especiais de aplicação os seguintes tipos de cimento: • cimento portland de alta resistência inicial; • cimento portland resistente aos sulfatos; • cimento portland branco; • cimento portland de baixo calor de hidratação; • cimento para poços petrolíferos. Página 64 de 177 5.5.1 - CIMENTOS PORTLAND COMUNS E COMPOSTOS O primeiro cimento Portland lançado no mercado brasileiro foi o conhecido CP, correspondendo atualmente ao CP I, um tipo de cimento portland comum sem quaisquer adições além do gesso (utilizado como retardador da pega). Ele acabou sendo considerado na maioria das aplicações usuais como termo de referência para comparação com as características e propriedades dos tipos de cimento posteriormente aparecidos. Foi a partir do amplo domínio científico e tecnológico sobre o cimento portland comum que se puderam desenvolver outros tipos de cimento, com o objetivo inicial de atender a casos especiais. Com o tempo verificou-se que alguns desses cimentos, inicialmente imaginados como especiais, tinham desempenho equivalente ao do cimento portland comum original, atendendo plenamente às necessidades da maioria das aplicações usuais e apresentando, em muitos casos, inclusive, alguma vantagem adicional. A partir dos bons resultados dessas conquistas e a exemplo de países tecnologicamente mais avançados, como o da União Européia, surgiu no mercado brasileiro em 1991 um novo tipo de cimento, o cimento portland composto, cuja composição é intermediária entre os cimentos portland comuns e os cimentos portland com adições (alto-forno e pozolânico), estes últimos já disponíveis há algumas décadas. O Quadro 1 apresenta a composição dos cimentos portland comuns e compostos. QUADRO 1 - Composição dos cimentos portland comuns e compostos Atualmente os cimentos portland compostos são os mais encontrados no mercado, respondendo por aproximadamente 75% da produção industrial brasileira; são utilizados na maioria das aplicações usuais, em substituição ao antigo CP. 5.5.2 - CIMENTOS PORTLAND DE ALTO-FORNO E POZOLÂNICOS O consumo apreciável de energia durante o processo de fabricação de cimento motivou mundialmente a busca, pelo setor, de medidas para diminuição do consumo energético. Uma das alternativas de sucesso foi o uso de escórias granuladas de alto-forno e materiais pozolânicos na composição dos chamados cimentos portland de alto-forno e pozolânicos, respectivamente. O Quadro 2 apresenta a composição desses tipos de cimento normalizados no Brasil. Página 65 de 177 QUADRO 2 - Composição dos cimentos portland de alto-forno e pozolânicos Como já explicado, as escórias granuladas de alto-forno apresentam propriedades hidráulicas latentes, isto é, da forma como são obtidas endurecem quando misturadas com água. Contudo, as reações de hidratação das escórias são tão lentas que limitariam sua aplicação prática se agentes ativadores, químicos e físicos, não acelerassem o processo de hidratação. A cal liberada durante a hidratação do clínquer é o principal ativador químico da escória quando esta é adicionada ao cimento, ao passo que a ativação física é conseguida pelo aumento da finura quando a escória é moída separada ou conjuntamente com o clínquer. Os materiais pozolânicos, ao contrário das escórias granuladas de alto-forno, não reagem com a água da forma como são obtidos. Entretanto, quando finamente divididos, reagem com o hidróxido de cálcio em presença de água e na temperatura ambiente, dando origem a compostos com propriedades aglomerantes. Por essa razão, os materiais pozolânicos são utilizados conjuntamente com o clínquer, pois o hidróxido de cálcio é um produto normalmente resultante da hidratação deste. A adição de escória e materiais pozolânicos modifica a microestrutura do concreto, diminuindo a permeabilidade, a difusibilidade iônica e a porosidade capilar, aumentando a estabilidade e a durabilidade do concreto. Tais fatores repercutem diretamente no comportamento do concreto, melhorando seu desempenho ante a ação de sulfatos e da reação álcali-agregado. Outras propriedades são também alteradas, incluindo a diminuição do calor de hidratação, o aumento da resistência à compressão em idades avançadas, a melhor trabalhabilidade e outros. Dado o fato de as escórias granuladas de alto-forno e os materiais pozolânicos terem menor velocidade de hidratação em relação ao clínquer, os cimentos com adição desses materiais podem apresentar, em igualdade de condições, menor desenvolvimento inicial de resistência. Entretanto, na prática, verifica-se que as resistências efetivamente alcançadas em todas as idades superam os limites mínimos estabelecidos pelas normas técnicas da ABNT, que especificam os valores necessários às aplicações mais usuais. A Figura 9 ilustra a evolução média de resistência dos principais tipos de cimento, com base nos valores experimentais obtidos nos laboratórios da ABCP. Página 66 de 177 FIGURA 9 - Evolução média de resistência à compressão dos distintos tipos de cimento portland (fonte: ABCP, 1996). Há, entretanto, uma tendência mundial de abandonar a classificação do cimento de alta resistência como sendo um tipo específico do qual se exijam limitações de composição. Assim, a classificação do cimento de alta resistência inicial como qualquer tipo de cimento portland (comum, composto, de alto-forno, pozolânico) que apresente adicionalmente a propriedade de desenvolver altas resistências iniciais já é adotada nos países da União Européia. O mesmo fato deverá ocorrer no Brasil com os trabalhos de revisão da norma brasileira NBR 5733, no âmbito do MERCOSUL para adoção de norma única nos países integrantes desse Mercado. O princípio de considerar quatro ou cinco tipos básicos de cimento classificados por sua composição (porcentagem de clínquer e adições) e tipos especiais derivados dos tipos básicos, que apresentem certas peculiaridades ou características, já é adotado no Brasil; os tipos especiais normalizados são os cimentos portland resistentes aos sulfatos e os cimentos portland de baixo calor de hidratação. 5.5.3 - CIMENTOS PORTLAND RESISTENTES AOS SULFATOS Os cimentos portland resistentes aos sulfatos são aqueles, como o próprio nome diz, que têm a propriedade de oferecer resistência aos meios agressivos sulfatados, tais como os encontrados nas redes de esgotos de águas servidas ou industriais, na água do mar e em alguns tipos de solos. De acordo com a norma NBR 5737, quaisquer uns dos cinco tipos básicos (CP I, CP II, CP lII, CP IV e CP V-ARI) podem ser considerados resistentes aos sulfatos, desde que obedeçam a pelo menos uma das seguintes condições: • teor de aluminato tricálcico (C3A) do clínquer e teor de adições carbonáticas de, no máximo, 8% e 5% em massa, respectivamente. • cimentos do tipo alto-forno que contiverem entre 60% e 70% de escória granulada de alto-forno, em massa. • cimentos do tipo pozolânico que contiverem entre 25% e 40% de material pozolânico, em massa. Página 67 de 177 • cimentos que tiverem antecedentes de resultados de ensaios de longa duração ou de obras que comprovem resistência aos sulfatos. No primeiro e no último caso o cimento deve atender ainda a uma das normas NBR 5732, 5733, 5735, 5736 e 11578. Se o cimento original for o portland de alta resistência inicial (NBR 5733), admite-se a adição de escória granulada de alto-forno ou de materiais pozolânicos, para os fins específicos da NBR 5737. Uma dúvida que tem surgido entre os usuários é se o CP II-F que tem necessariamente mais que 5% de fíler calcário e não contém escória ou pozolana pode ser considerado resistente a sulfatos. Nesse caso, o cimento deve necessariamente ser submetido a ensaios específicos de determinação da resistência aos sulfatos antes de uma decisão sobre sua utilização em meios agressivos sulfatados. Os testes mais correntes são os especificados pela ASTM C-1012 - Length Change of Hidraulic - Cement Mortars Exposed to a Sulfate Solution, com mínimo de 180 dias de duração, NBR 13583 - Cimento Portland - Determinação da variação dimensional de barras de argamassa de cimento portland expostas à solução de sulfato de sódio, com duração de 66 dias ou ainda o método proposto por Koch & Steinegger, com duração de 77 dias. 5.5.4 - CIMENTOS PORTLAND DE BAIXO CALOR DE HIDRATAÇÃO O aumento da temperatura no interior de grandes estruturas de concreto devido ao calor desenvolvido durante a hidratação do cimento pode levar ao aparecimento de fissuras de origem térmica, que podem ser evitadas se forem usados cimentos com taxas lentas de evolução de calor, os chamados cimentos portland de baixo calor de hidratação. Os cimentos portland de baixo calor de hidratação, de acordo com a NBR 13116, são aqueles que geram até 260 J/g e até 300 J/g aos 3 dias e 7 dias de hidratação, respectivamente, e podem ser qualquer um dos tipos básicos. O ensaio é executado de acordo com a norma NBR 12006 - Determinação do Calor de Hidratação pelo Método da Garrafa de Langavant. 5.5.5 - CIMENTO PORTLAND BRANCO O cimento portland branco é um tipo de cimento que se diferencia dos demais pela coloração. A cor branca é conseguida a partir de matérias-primas com baixos teores de óxidos de ferro e manganês e por condições especiais durante a fabricação, especialmente com relação ao resfriamento e à moagem do produto. No Brasil o cimento portland branco é regulamentado pela norma NBR 12989, sendo classificado em dois subtipos: cimento portland branco estrutural e cimento portland branco não estrutural, cujas composições são mostradas no Quadro 3. QUADRO 3 - Composição dos cimentos portland branco Página 68 de 177 O cimento portland branco estrutural é aplicado em concretos brancos para fins arquitetônicos, possuindo as classes de resistência 25, 32 e 40, similares às dos outros tipos de cimento, como esclarece a seção 5 deste boletim. Já o cimento portland branco não estrutural não tem indicação de classe e é aplicado, por exemplo, no rejuntamento de azulejos e na fabricação de ladrilhos hidráulicos, isto é, em aplicações não estruturais, sendo esse aspecto ressaltado na sacaria para evitar uso indevido por parte do consumidor. 5.5.6 - CIMENTO PARA POÇOS PETROLÍFEROS Constitui um tipo de cimento portland de aplicação bastante específica, qual seja a cimentação de poços petrolíferos. O consumo desse tipo de cimento é pouco expressivo quando comparado ao dos outros tipos de cimentos normalizados no País. O cimento para poços petrolíferos (CPP) é regulamentado pela NBR 9831 e na sua composição não se observam outros componentes além do clínquer e do gesso para retardar o tempo de pega. No processo de fabricação do cimento para poços petrolíferos são tomadas precauções para garantir que o produto conserve as propriedades reológicas (plasticidade) necessárias nas condições de pressão e temperatura elevadas presentes a grandes profundidades, durante a aplicação nos poços petrolíferos. 5.5.7 - PRESCRIÇÕES NORMATIVAS DOS DIFERENTES TIPOS DE CIMENTO PORTLAND Os vários tipos de cimento normalizados são designados pela sigla e pela classe de resistência. As siglas correspondem ao prefixo CP acrescido dos algarismos romanos de I a V, conforme o tipo do cimento, sendo as classes indicadas pelos números 25, 32 e 40. As classes de resistência apontam os valores mínimos de resistência à compressão garantida pelo fabricante, após 28 dias de cura. A determinação da resistência à compressão deve ser feita por um método de ensaio normalizado pela ABNT, a NBR 7215 - Cimento Portland - Determinação da Resistência à Compressão. O método consiste em preparar, sob condições padronizadas de laboratório, uma argamassa com a proporção de uma parte de cimento para três partes em massa de areia padrão e relação água/cimento igual a 0,48. São moldados para cada idade de cura (são três idades: 1, 3 e 7 dias para o cimento portland de alta resistência inicial e 3, 7 e 28 dias para os demais tipos) quatro corpos cilíndricos de 5 cm de diâmetro por 10 cm de altura, que são ensaiados após o tempo de cura em uma máquina de compressão (prensa). Até o ano de 1979 a unidade em que se expressava a resistência à compressão do corpo- de-prova padronizado era o quilograma-força por centímetro quadrado (kgf/cm2). Seguindo recomendação do INMETRO, o órgão normativo do Governo Federal que tornou obrigatória a adoção do Sistema Internacional de Unidades (Sl), essa unidade passou a ser expressa em megapascal (MPa) e as classes de resistência dos cimentos tiveram, por conseqüência, a supressão de um zero na sua identificação, uma vez que 1 MPa corresponde aproximadamente a 10 kgf/cm2. O Quadro 4 apresenta a evolução da nomenclatura, siglas e classes dos cimentos, ao passo que o Quadro 6 apresenta a nomenclatura atual. As normas técnicas da ABNT referentes aos tipos apresentados no Quadro 6 fixam as condições exigíveis desses cimentos, tais como designação, composição, exigências químicas, físicas e mecânicas, condições de embalagem, marcação, entrega e armazenamento dos sacos de cimento, bem como critérios de aceitação e rejeição do produto. Página 69 de 177 QUADRO 4 . Evolução dos códigos de identificação dos cimentos portland Página 70 de 177 QUADRO 5 . Nomenclatura dos cimentos portland em 1997 Página 71 de 177 5.5.8 - APLICAÇÕES USUAIS DOS DIFERENTES TIPOS DE CIMENTO PORTLAND Em que pese a possibilidade de se ajustar, através da dosagem adequada, os diversos tipos de cimento às mais diversas aplicações, a análise das características e propriedades dos cimentos indicam as aplicações mais usuais, conforme a Tabela 2. TABELA 2 - Aplicações do cimento Portland. Página 72 de 177 NOTA: (*) Dada a pouca experiência que se tem no Brasil sobre uso do CP III e do CP IV na argamassa armada deve-se consultar um especialista antes de especificá-los para esse uso. 5.6 – PROPRIEDADES FÍSICAS DO CIMENTO PORTLAND (Trecho extraído do livro: “Materiais de construção” de L.A.Falcão Bauer). As propriedades físicas do cimento Portland são consideradas sob três aspectos distintos: propriedades do produto em sua condição natural, em pó, da mistura de cimento e água e proporções convenientes de pasta e, finalmente, da mistura da pasta com agregado padronizado – as argamassas. As propriedades da pasta e argamassa são relacionadas com o comportamento desse produto quando utilizado, ou seja, as suas propriedades potenciais para a elaboração de concretos e argamassas. Tais propriedades se enquadram em processo artificialmente definidos nos métodos e especificações padronizados, oferecendo sua utilidade quer para o controle de aceitação do produto, quer para a avaliação de suas qualidades para os fins de utilização dos mesmos. 5.6.1 - DENSIDADE A densidade absoluta do cimento Portland é usualmente considerada como 3,15, embora, na verdade, possa variar para valores ligeiramente inferiores. A utilidade do conhecimento desse valor se encontra nos cálculos de consumo do produto nas misturas geralmente feitas com base nos volumes específicos dos constituintes. Nas compactações usuais de armazenamento e manuseio do produto, a densidade aparente do mesmo é da ordem de 1,5. Na pasta de cimento, a densidade é um valor variável com o tempo, aumentando à medida que progride o processo de hidratação. Tal fenômeno, de natureza extremamente complexa, é conhecido pelo nome de retração. Esta ocorre nas pastas, argamassas e concretos. Pode atingir, em 24 horas, cerca de 7mm por metro na pasta pura, 4,5mm por metro na argamassa-padrão e 2mm por metro em concretos dosados a 350 kg/cimento/m³. 5.6.2 – FINURA A finura do cimento é uma noção relacionada com o tamanho dos grãos do produto. É usualmente definida de duas maneiras distintas: pelo tamanho máximo do grão, quando as especificações estabelecem uma proporção em peso do material retido n operação de peneiramento em malha de abertura definida, e, alternativamente, pelo valor da superfície específica (soma da superfícies dos grãos contidos em um grama de cimento). A finura do cimento é determinada naturalmente durante o processo de fabricação para o controle do mesmo, como também nos ensaios de recepção do produto, quando deve estar dentro dos limites determinados nas especificações correspondentes. As especificações brasileiras NBR 5732 e NBR 5733 prescrevem limite de retenção na peneira n 200 de malha de 75mm de abertura. Para o cimento Portland comum, o resíduo deixado nessa peneira não deve exceder 12 % em peso. Para os cimentos portland de alta resistência inicial, tal índice deve baixar a 6 %. O ensaio para determinação da finura do cimento é a NBR 11.579 – Cimento Portland – Determinação da finura por meio da peneira 75 µm (nº 200)- Método de ensaio. O método de ensaio utilizado para a determinação das superfícies específicas é o “Aparelho de Blaine, segundo a NBR 7224 – Cimento Portland e outros materiais em pó- Determinação da área específica – Método de ensaio. Esse aparelho é composto de uma célula cilíndrica, de metal inoxidável, no fundo da qual repousa um pequeno disco perfurado, que Página 73 de 177 suporta um pequeno disco de papel-filtro. O cimento é introduzido nessa pequena cuba e comprimido por um pistão apropriado. Esta célula é fixada sobre um tubo em U, de cerca de um centímetro de diâmetro, dotado de quatro marcas, A, B, C, e D. Na parte superior do traço marcado, existe uma derivação dotada de registro e ligada a um aspirador manual de borracha, tipo seringa. O tubo é enchido até a marca D com um líquido de densidade conhecida, geralmente um álcool. Colocada a amostra, o ar existente é aspirado pela seringa até que o líquido suba até a marca A. O registro é fechado e inicia-se a observação da queda da coluna, que corresponde a uma percolação de ar através de amostra contida na cuba superior. Mede-se o tempo correspondente à descida da coluna de D até P. A superfície específica da amostra é, então, determinada pela aplicação da fórmulas e ábacos. Atualmente já existem aparelhos de Blaine automáticos, que realizam o ensaio e calculam automaticamente o valor da superfície específica. (figuras 10 e 11). Figura 10 - Permeabilímetro de Blaine NBR NM 76; NBR 7224 Aparelho para determinação da superfície específica do cimento, composta por tubo em ”U”, célula (êmbolo) de permeabilidade com pistão de socamento e disco perfurado, papel filtro, líquido manométrico colorido, vazador e pipetador de borracha de 3 vias. www.solotest.com.br, em 02/04/2010 Página 74 de 177 Figura 11 - Permeabilímetro de Blaine automático NBR NM 76; NBR 7224; EN 196 Aparelho automático para determinação da superfície específica do cimento. Com conexão para microcomputador através de sua saída serial RS 232. Expressa resultados em cm²/g diretamente, sem a necessidade de complicadas conversões e uso de ábacos. O ensaio é feito sem a intervenção do operador. www.solotest.com.br, em 02/04/2010. 5.6.3. CONCEITO DE PEGA (trecho extraído de “Materiais de Construção – Araujo, Rodrigues & Freitas”, www.ufrrj.br, em 31/03/2010.) Pega é a perda de fluidez da pasta. Ao se adicionar, por exemplo, água a um aglomerante hidráulico, depois de certo tempo, começam a ocorrer reações químicas de hidratação, que dão origem à formação de compostos, que aos poucos, vão fazendo com que a pasta perca sua fluidez, até que deixe de ser deformável para pequenas cargas e se torne rígida. Início de pega de um aglomerante hidráulico é o período inicial de solidificação da pasta. É contado a partir do lançamento da água no aglomerante, até ao início das reações químicas com os compostos do aglomerante. Esse fenômeno é caracterizado pelo aumento brusco da viscosidade e pela elevação da temperatura da pasta. Fim de pega de um aglomerante hidráulico é quando a pasta se solidifica completamente, não significando, entretanto, que ela tenha adquirido toda sua resistência, o que só será conseguido após anos. A determinação dos tempos de início de e de fim de pega do aglomerante são importantes, pois através deles pode-se ter idéia do tempo disponível para trabalhar, transportar, lançar e adensar argamassas e concertos regá-los para execução da cura, bem como transitar sobre a peça. Página 75 de 177 Com relação ao tempo de início de pega os cimentos brasileiros se classificam em: • cimentos de pega normal tempo > 60 minutos • cimentos de pega semi-rápida 30 minutos < tempo < 60 minutos • cimentos de pega rápida tempo < 30 minutos No caso dos cimentos de pega normal, o fim da pega se dá, de cinco a dez horas depois do lançamento da água ao aglomerante. Nos cimentos de pega rápida, o fim da pega se verifica poucos minutos após o seu início. O tempo de pega do cimento é determinado por ensaio do aparelho de Vicat. A pasta é misturada em proporção que conduz a uma consistência denominada normal. Essa consistência normal é verificada no mesmo aparelho de Vicat (figura 12), utilizando-se a chamada sonda de Tetmajer, um corpo cilíndrico, metálico, liso, de 10mm de diâmetro e terminado em seção reta. A sonda é posta a penetrar verticalmente em pasta fresca por ação de um peso total (incluindo a sonda) de 300 g. Figura 12 – Aparelho de Vicat No ensaio de consistência da pasta, a sonda penetra e estaciona a certa distância do fundo do aparelho. Essa distância, medida em milímetros, é denominada índice de consistência. A pasta, preparada para ensaios de tempo de pega, deve ter uma consistência normal de 6 mm, isto é, a sonda de Tetmajer deve estacionar à distância de 6mm do fundo da amostra. Essa amostra de consistência normal é ensaiada nesse mesmo aparelho à penetração de uma agulha corpo cilíndrico circular, com 1 mm² de área de seção e terminando em seção reta. A amostra é ensaiada periodicamente à penetração pela agulha de Vicat, determinando-se o tempo de início da pega quando esta deixa de penetrar até o fundo da pasta, ou melhor, ao ficar distanciada do fundo 1 mm. Os ensaios são prosseguidos até a determinação do tempo de fim de pega, quando a agulha não penetra nada mais na amostra, deixando apenas uma imperceptível marca superficial. O ensaio para determinação dos tempos de pega é preconizado pela NBR 11.581 – Determinação dos tempos de pega – Método de ensaio. Página 76 de 177 5.6.4 – RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO DO CIMENTO PORTLAND. ( NBR 7215 – Cimento Portland – Determinação da resistência à compressão.) A resistência mecânica dos cimentos é determinada pela ruptura à compressão de corpos- de-prova realizados com argamassa. A forma do corpo-de-prova, suas dimensões, o traço da argamassa, sua consistência e o tipo de areia empregado são definidos nas especificações correspondentes e determinadas pela NBR 7215 – Cimento Portland – Determinação da resistência à compressão. O método do ensaio compreende a determinação da resistência à compressão de corpos- de-prova cilíndricos de 50 mm de diâmetro e 100 mm de altura. Os corpos-de-prova são elaborados com argamassa composta de uma parte de cimento, três de areia normalizada (NBR 7214:1982 – Areia normal para ensaio de cimento - Especificação.), em massa, e com relação água/cimento de 0,48. A argamassa é preparada por meio de um misturador mecânico e compactada manualmente em um molde, por um procedimento normalizado. Podem ser empregados equipamentos de compactação mecânica, com a condição de que, ao serem utilizados, os resultados de resistência mecânica não difiram de forma significativa dos obtidos usando-se a compactação manual. Os moldes que contêm os corpos-de-prova são conservados em atmosfera úmida para cura inicial: em seguida os corpos-de-prova são desmoldados e submetidos à cura em água saturada de cal até a data de ruptura. Na data prevista, os corpos-de-prova são retirados do meio de conservação, capeados com mistura de enxofre, de acordo com procedimento normalizado, e rompidos para determinação da resistência à compressão. 5.6.5 – EXPANSIBILIDADE (Trecho extraído do livro “Propriedades do concreto” de Adam M.Neville.) É fundamental que a pasta de cimento, após a pega, não sofra uma grande variação de volume. Em particular, não deve haver uma expansão apreciável, que, sob condições de contenção, poderia resultar a desagregação da pasta de cimento endurecida. Essa expansão poderia ocorrer devido á hidratação, lenta ou retardada, ou a outra reação de alguns compostos presentes no cimento endurecido, como por exemplo, a cal, o óxido de magnésio e o sulfato de cálcio livres. Se as matérias primas introduzidas no forno de fabricação de cimento contiverem mais calcário do que o necessário para combinação com os óxidos ácidos, o excesso permanecerá em condição livre. Este calcário, intensamente queimado somente se hidrata muito lentamente e, ocorre expansão porque o hidróxido de cálcio ocupa um volume muito maior do que o óxido de cálcio livre inicial. Cimentos nessas condições são denominados expansivos. A cal adicionado ao cimento não produz expansão, porque se hidrata rapidamente antes da pega da pasta. Por outro lado, a cal livre presente no clínquer está inercristalizada com outros compostos e fica apenas parcialmente exposta à água durante o tempo que precede a pega da pasta. A cal livre não pode ser determinada por análise química, pois não é possível distinguir a CaO que não reagiu e o Ca(OH)2 produzido por uma hidratação parcial dos silicatos quando o cimento fica exposto ao ar. Por outro lado, a análise do clínquer logo após a saída do forno, mostraria o teor de cal livre, pois nesse momento não existe cimento hidratado. Um cimento também pode ser expansivo devido à presença de MgO, que reage com a água de um modo semelhante ao CaO. No entanto, somente o periclásio ( MgO cristalino) é capaz de Página 77 de 177 reagir e causar o problema e o MgO presente na fase vítrea é inócuo. Até cerca de 2 % de periclásio, em relação à massa de cimento, combina com os compostos principais do cimento, mas teores maiores geralmente causam expansão e podem resultar um desagregação lenta. O sulfato de cálcio é o terceiro composto que pode provocar expansão, formando, neste caso, sulfoaluminato de cálcio. Deve ser lembrado que um sulfato de cálcio hidratado – gesso – é adicionado ao clínquer de cimento para evitar a pega instantânea, mas se houver mais gesso do que o necessário para reagir com o C3A durante a pega, aparecerá uma expansão lenta. Por essa razão, as normas limitam rigorosamente o teor de gesso a ser adicionado ao clínquer; esses limites estão muitos do lado da segurança tanto quanto o perigo de expansão pode preocupar. Como a expansão do cimento só se torna aparente após um período de meses ou anos, é essencial ensaiar a expansividade do cimento por métodos acelerados: um ensaio proposto por Le Chatelier é prescrito pela NBR 11.582 – Determinação da expansibilidade de Le Chatelier. Figura 13 - Agulha de Chatelier Figura 14 - Banho Maria para Agulhas de Chatelier Página 78 de 177 5.6.6 – EXIGÊNCIAS FÍSICAS E MECÂNICAS DO CIMENTO QUADRO 06 – Exigências físicas e mecânicas do cimento 5.7 – PROPRIEDADES QUÍMICAS DO CIMENTO PORTLAND (Trecho extraído do livro “MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO” de L.A. Falcão Bauer) As propriedades químicas do cimento Portland estão diretamente ligadas ao processo de endurecimento por hidratação. Ainda não se conhecem com muita precisão as reações e os compostos envolvidos no processo de endurecimento, restando muitas questões a serem esclarecidas. O processo é complexo, admitindo-se, atualmente, que se desenrolem em desenvolvimentos que compreendem a dissolução na água, precipitações de cristais e gel com hidrólises e hidratações dos componentes do cimento. Inicialmente, o silicato tricálcico (C3S) se hidrolisa, isto é, separa-se em silicato bicálcico C2S e hidróxido de cal. Este último precipita como cristal da solução supersaturada de cal. A seguir, o silicato bicálcico existente, resultante da hidrólise, combina-se com a água no processo de hidratação, adquirindo duas moléculas de água e depositando-se, a temperaturas ordinárias, no estado de gel. Esse processo, quando conduzido em temperaturas elevadas, resulta numa estrutura de natureza cristalina. Os dois últimos constituintes principais do cimento, o aluminato tricálcico e o ferro aluminato de cálcio, se hidratam, resultando, do primeiro, cristais de variado conteúdo de água e, do segundo, uma fase amorfa gelatinosa. Esse processo é realmente rápido no clínquer simplesmente pulverizado. O aluminato tricálcico presente é, de modo geral, considerado o responsável pelo início imediato do processo de endurecimento. O produto, nestas condições, é material inútil para o construtor, impossibilitando qualquer manuseio pela rapidez da pega. Também é conhecido que a correção se efetua pela adição de sulfato de cálcio hidratado natural, gipsita, ao clínquer antes da operação de moagem final. AS investigações demonstraram que a ação do gesso no retardamento do tempo de pega se prende ao fato de ser muito baixa a solubilidade dos aluminatos anidros em soluções supersaturadas de gesso. O processo prossegue em marcha relativamente lenta pela absorção do Página 79 de 177 sulfato, mediante a produção de sulfoaluminato de cálcio e outros compostos que, precipitados, abrem caminho para a solubilização dos aluminatos mais responsáveis pelo início da pega, já então em época conveniente. O fenômeno de falsa pega não é ainda claramente compreendido. Admite-se, em geral, que as causas mais freqüentes da falsa pega são a desidratação do gesso a formas instáveis de sulfato de cálcio, ocorridas durante a operação de moedura, onde a temperatura se eleva acima dos 130°C. Nessas circunstâncias, o cimento produzido contém sulfato de cálcio hidratável, que seria o responsável pela falsa pega. 5.7.1 – CALOR DE HIDRATAÇÃO Durante o processo de endurecimento do cimento, considerável quantidade de calor se desenvolve nas reações de hidratação. Essa energia térmica produzida é de grande interesse para o engenheiro, principalmente pela elevação de temperatura, resultante nas obras volumosas, a qual conduz ao aparecimento de trincas de contração ao fim do resfriamento da massa. O desenvolvimento de calor varia com a composição do cimento, especialmente com as proporções de silicato e aluminato tricálcicos. O valor do calor de hidratação do cimento Portland ordinário varia entre 85 e 100 cal/g, e reduzindo a 60 z 80 cal/g nos cimentos de baixo calor de hidratação. Os valores do calor de hidratação dos constituintes do cimento são os seguintes: C3S - 120 cal/g C2S - 62 cal/g C2A - 207 cal/g C4AF - 100 cal/g Magnésia - 203 cal/g Cal - 279 cal/g O método mais comum para a determinação do calor de hidratação do cimento é o calor de dissolução. Amostras secas de cimento em pó e de cimento parcialmente hidratado e subsequentemente pulverizado são dissolvidas em mistura de ácido nítrico e clorídrico numa garrafa térmica. A elevação de temperatura devidamente corrigida pela eliminação dos fatores estranhos ao fenômeno determina as medidas do calor de dissolução das amostras. Por diferença, o calor de hidratação do cimento é calculado. O interesse do conhecimento do valor do calor de hidratação do cimento reside na possibilidade de estudo da evolução térmica durante o endurecimento do concreto em obras volumosas. Basicamente, trata-se de multiplicar o calor de hidratação do cimento pelo peso do cimento contido no metro cúbico de concreto e dividir o resultado pelo calor específico do concreto. Esse cálculo aproximado não se desenvolve, evidentemente, com essa simplicidade esquemática, devendo ser considerados vários fatores que intervêm na evolução do fenômeno, tais como a velocidade de reação, o coeficiente de condutibilidade térmica do concreto, a variação do calor específico do concreto com a temperatura, etc. 5.7.2 – RESISTÊNCIA AOS AGENTES AGRESSIVOS Nos concretos em contato com a água e com a terra podem ocorrer fenômenos de agressividade. As águas, como as terras, podem conter substâncias químicas suscetíveis a reações com certos constituintes do cimento presentes nos concretos. Nestes últimos, o cimento constitui o elemento mais suscetível ao eventual ataque, já que os agregados são de natureza predominantemente inerte. Os silicatos de cálcio mais ou menos hidratados e principalmente a cal Página 80 de 177 hidratada, presentes no cimento hidratado, são os elementos submetidos a ataque químico. O hidróxido de cálcio presente na proporção de 15 a 20 % do peso do cimento original constitui o ponto mais vulnerável. As águas puras, de fontes graníticas ou oriundas do degelo atacam o cimento hidratado por dissolução da cal existente. Essa dissolução alcança cerca de 1,3 grama por litro nas temperaturas correntes. Águas puras renovadas acabam lavando toda a existente no cimento hidratado, após o que começam, com menor intensidade, a dissolver os próprios silicatos e aluminatos. As águas ácidas, como por exemplo, a água de chuva, com certa proporção de gás carbônico dissolvido, age sobre a cal do cimento hidratado segundo processo que varia em função da concentração do anidrido carbônico. Se a concentração é baixa, o sal formado é o carbonato de cálcio, pouco solúvel, que obstrui os poros, constituindo proteção a ataques posteriores. Se a concentração é relativamente forte, o carbonato formado é dissolvido como bicarbonato, prosseguindo o ataque até completa exaustão da cal presente. Os sais de cálcio são atacados em seguida. As águas podem ser igualmente agressivas quando contém outros ácidos, como acontece com os resíduos industriais e águas provenientes de charcos contendo ácidos orgânicos. Tanto num caso como no outro, há exaustão da cal, e um ataque posterior dos sais constituintes do cimento hidratado deixa no concreto um esqueleto sem coesão e inteiramente prejudicado nas suas características mecânicas e outras. Para estimar a resistência química de um cimento à água pura e ácida, é útil conhecer seu índice de Vicat, isto é, a relação sílica mais alumina dividida por cal. Se é inferior à 1, tem-se o cimento rico em cal, como o Portland, portanto, um cimento metalúrgico, cimento pozolânico, trata-se de material pobre em cal e capaz de reduzir à agressividade da água dissolvente. A água sulfatada ataca o cimento hidratado por reação do sulfato com aluminato, produzindo um sulfoaluminato com grande aumento de volume. Essa expansão interna é responsável pelo fissuramento que, por sua vez, facilita o ataque, conduzindo o processo a completa deterioração do material. Águas paradas, contendo mais de meio grama d sulfato de cálcio/litro, e águas correntes com mais 0,3 g podem, em geral, ser consideradas perigosas. A água do mar contém numerosos sais em solução, entre os quais os sulfatos de cálcio, o sulfato de magnésio e o cloreto de sódio. A presença deste último contribui para aumentar a solubilidade da cal. O pequeno conteúdo de ácido carbônico contribui ligeiramente como medida de proteção, pela formação de carbonato insolúvel. Já os sulfatos, principalmente os de cálcio, agem da maneira já descrita, resultando no final ataque progressivo dos cimentos ricos em cal pelas águas do mar. Página 81 de 177 5.7.3 – EXIGÊNCIAS QUÍMICAS DOS CIMENTOS QUADRO 07 – Exigências químicas dos cimentos (1) Ensaio facultativo. (2) A atividade pozolânica do cimento, determinada conforme a NBR 5753, deve ser positiva. (3) A atividade do material pozolânico, determinada conforme a NBR 5752, deve ser maior que 75%. (4) O teor de material pozolânico deve ser determinado pelo ensaio de resíduo insolúvel. (5) O teor de SO3 igual a 3,5% aplica-se quando C3A 8,0, e 4,5% quando C3A 8,0%. 5.8 - INFLUÊNCIA DOS TIPOS DE CIMENTO NAS ARGAMASSAS E CONCRETOS O Quadro 8 mostra, de forma simplificada, de que forma os diversos tipos de cimento agem sobre as argamassas e concretos de função estrutural com eles constituídos. Página 82 de 177 QUADRO 08 – Influência dos tipos de cimento nas argamassa e concretos. As influências assinaladas no Quadro 8 são relativas, podendo-se ampliar ou reduzir seu efeito sobre as argamassas e concretos, através de aumento ou diminuição da quantidade de seus componentes, sobretudo a água e o cimento. As características dos demais componentes, que são principalmente os agregados (areia, pedra britada, pó-de-pedra etc.), também poderão alterar o grau de influência, sobretudo se contiverem matérias orgânicas (folhas, raízes etc.). Finalmente, pode-se usar aditivos químicos para reduzir certas influências ou aumentar o efeito de outras, quando desejado ou necessário. Tudo isso leva à conclusão de que é necessário estudar a dosagem ideal dos componentes das argamassas e concretos a partir do tipo de cimento escolhido ou disponível na praça, de forma a estabelecer uma composição que dê o melhor resultado ao menor custo. As dosagens devem obedecer a métodos racionais comprovados na prática e que respeitem as normas técnicas aplicáveis e o uso dos aditivos deve seguir as instruções do seu fabricante. Além disso, é absolutamente fundamental fazer corretamente o adensamento e a cura das argamassas e dos concretos. O adensamento e a cura malfeitos são as principais causas de defeitos e problemas que surgem nas argamassas e nos concretos, como a baixa resistência, as trincas e fissuras, a corrosão da armadura etc. O bom adensamento é obtido através de uma vibração adequada. O principal cuidado que se deve tomar para obter uma cura correta é manter as argamassas e os concretos úmidos após a pega, molhando-os com uma mangueira ou com um regador, ou então cobrindo-os com sacos molhados (de aniagem ou do próprio cimento), ou até colocando tábuas ou chapas de madeira molhadas sobre a superfície, de modo a impedir a evaporação da água por ação do vento e do calor do sol durante um período mínimo de sete dias. Página 83 de 177 6. LEITURAS COMPLEMENTARES ESSENCIAIS Para o complemento deste estudo se faz necessária a leitura dos capítulos referentes à AGLOMERANTES nas seguintes referências bibliográficas: 1) MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO: L.A. FALCÃO BAUER – VOLUME 01 – Capítulos 01 e 02. 2) PROPRIEDADES DO CONCRETO – ADAM M. NEVILLE – Capítulo 01 e 02. 3) CONCRETO – ESTRUTURA, PROPRIEDADES E MATERIAIS – P.KUMAR METHA e PAULO MONTEIRO Capítulo 06. Página 84 de 177 CONCRETO DE CIMENTO PORTLAND 1. DEFINIÇÃO (trecho extraído de “Materiais de Construção – Araújo, Rodrigues & Freitas”, www.ufrrj.br, em 31/03/2010) Concreto de Cimento Portland é o material resultante da mistura, em determinadas proporções, de um aglomerante - cimento Portland - com um agregado miúdo, geralmente areia lavada, um agregado graúdo geralmente brita e água. Pode-se ainda, se necessário, usar aditivos. A água e o cimento, quando misturados, desenvolvem um processo denominado hidratação e formam uma pasta que adere às partículas dos agregados. Nas primeiras horas após o preparo é possível dar a essa mistura o formato desejado. Algumas horas depois ela endurece e, com o passar dos dias, adquire grande resistência mecânica, convertendo-se num material monolítico dotado das mesmas características de uma rocha. A resistência do concreto depende destes três fatores básicos: • resistência do agregado; • resistência da pasta; • resistência da ligação entre a pasta e o agregado. Entretanto, para conseguir-se um conjunto monolítico e resistente, é indispensável produzir corretamente o concreto. A produção do concreto consta de uma série de operações executadas e controladas de forma a obter-se, a partir dos materiais componentes, um concreto que depois de endurecido resista aos esforços derivados das mais diversas condições de carregamento a que possa ser submetido, bem como apresente características de durabilidade. As operações necessárias à obtenção de um concreto são: • dosagem ou quantificação dos materiais; • mistura dos materiais; • transporte até o local da obra; • lançamento, ou seja, colocação do concreto no seu local definitivo (normalmente em uma forma); • adensamento, que consiste em tornar a massa do concreto a mais densa possível, eliminando os vazios; • cura, ou seja, os cuidados a serem tomados a fim de evitar a perda de água pelo concreto nos primeiros dias de idade. A obtenção de um concreto de boa qualidade depende de todas essas operações. Se qualquer delas for mal executada, causará problemas ao concreto. Não há como compensar as falhas em uma das operações com cuidados especiais em outra. Página 85 de 177 Quando o concreto é dosado de acordo com certos princípios básicos, que serão estudados posteriormente apresenta, além da resistência, as vantagens de baixo custo, facilidade de execução, durabilidade e economia. Para tanto é necessário, inicialmente, conhecer as características que o concreto endurecido deve possuir, para depois, a partir dos materiais disponíveis, obterem o concreto pretendido, mediante o proporcionamento correto da mistura e o uso adequado dos processos de fabricação. O concreto fresco representa uma fase transitória, porém de enorme influência nas características do concreto endurecido. Figura 01 – Fluxograma para obtenção de um concreto de boa qualidade. 2. PROPRIEDADES DO CONCRETO (trecho extraído de “Materiais de Construção – Araújo, Rodrigues & Freitas”, www.ufrrj.br, em 31/03/2010) Para efeito de suas propriedades, o concreto deve então ser analisado nestas duas condições: fresco e endurecido. O concreto fresco é assim considerado até o momento em que tem início a pega do aglomerante. O concreto endurecido é o material que se obtém pela mistura dos componentes, após o fim da pega do aglomerante. Página 86 de 177 3. CONCRETO NO ESTADO FRESCO 3.1- PROPRIEDADES DO CONCRETO FRESCO (trecho extraído de “Materiais de Construção – Araújo, Rodrigues & Freitas”, www.ufrrj.br, em 31/03/2010) Para o concreto fresco, as propriedades desejáveis são as que asseguram a obtenção de uma mistura fácil de transportar, lançar e adensar, sem segregação. As principais propriedades do concreto, quando fresco, são: • consistência • plasticidade • poder de retenção de água • trabalhabilidade 3.1.1 - CONSISTÊNCIA Consistência é o maior ou menor grau de fluidez da mistura fresca, relacionando-se, portanto, com a mobilidade da massa. O principal fator que influi na consistência é, sem dúvida, o teor água/materiais secos (A%). Teor de água/materiais secos é, pois, a relação entre o peso da água e o peso dos materiais secos multiplicada por 100. onde: Pag = peso da água Pc = peso do cimento Pm = peso do agregado miúdo + agregado graúdo Em função de sua consistência, o concreto é classificado em: • seco ou úmido - quando a relação água/materiais secos é baixa, entre 6 e 8%; • plástico - quando a relação água/materiais secos é maior que 8 e menor que 11%; • fluido - quando a relação água/materiais secos é alta, entre 11 e 14%. Um concreto de consistência plástica pode oferecer, segundo o grau de sua mobilidade, maior ou menor facilidade para ser moldado e deslizar entre os ferros da armadura, sem que ocorra separação de seus componentes. São os mais usados nas obras em geral. A natureza da obra, os espaçamentos entre as paredes das formas e a distribuição da armadura no seu interior impõem que a consistência do concreto seja adequada. Página 87 de 177 Fixada a resistência, mediante o estabelecimento de determinado valor para a relação água/cimento, resta assegurar à mistura uma consistência compatível com a natureza da obra. O processo de determinação de consistência mais utilizado no Brasil, devido à simplicidade e facilidade com que é executado na obra, é o ensaio de abatimento conhecido como Slump Test. Na elaboração do ensaio, o cone deve ser molhado internamente e colocado sobre uma chapa metálica, também molhada. Uma vez assentado firmemente sobre a chapa, enche-se o cone com concreto em três camadas de igual altura. Cada uma dessas camadas é “socada” com 25 golpes, com uma barra de ferro de 5/8” (16 mm). Terminada a operação, retira-se o cone verticalmente e mede-se o abatimento da amostra conforme ilustrado abaixo: Figura 02 – Etapas do Slump -Test Segundo a ABNT NBR 6118:2007, Projeto de estruturas de concreto - Procedimento, a consistência do concreto deve estar de acordo com as dimensões da peça a ser concretada, com a distribuição da armadura no seu interior e com os processos de lançamento e adensamento utilizados. 3.1.2 - PLASTICIDADE (trecho extraído de “Materiais de Construção – Araújo, Rodrigues & Freitas”, www.ufrrj.br, em 31/03/2010.) Plasticidade é a propriedade do concreto fresco identificada pela facilidade com que este é moldado sem se romper. Depende fundamentalmente da consistência e do grau de coesão entre os componentes do concreto. Quando não há coesão os elementos se separam, isto é, ocorre a segregação. Segregação é a separação dos grãos do agregado da pasta de cimento. Pode ocorrer durante o transporte, durante o lançamento em consequência de movimentos bruscos, durante o adensamento, por vibração excessiva, ou pela ação da gravidade, quando os grãos graúdos mais pesados do que os demais, tendem a assentar no fundo das formas. Página 88 de 177 À medida que as paredes das formas vão-se aproximando e a armadura se torna mais densa, maior deve ser o grau de plasticidade da mistura, a fim de evitar o perigo de que apareçam vazios na peça depois de concretada. Neste caso seria altamente desfavorável obter a consistência desejada aumentando-se simplesmente a quantidade de água, pois essa prática diminuiria significativamente a resistência do concreto, a qual para ser compensada exigiria o emprego de mais cimento. Quanto às dimensões dos agregados, observa-se que os miúdos exercem influência preponderante sobre a plasticidade do concreto, por possuírem elevada área específica. Dessa forma, qualquer alteração do seu teor na mistura provocará modificações significativas no consumo de água e, consequentemente, no de cimento. Como o cimento é o material de custo mais elevado na mistura, qualquer alteração no consumo de areia incide diretamente no custo do concreto. A forma e a textura superficial das partículas da areia têm grande influência na plasticidade do concreto. Esta será prejudicada na medida em que mais angulosas, rugosas ou alongadas forem as partículas de areia. As areias mais finas requerem mais água, por terem maiores áreas específicas. Por sua vez, pelo fato de serem mais finas, o teor de areia requerido pelo concreto de igual plasticidade será menor, compensando dessa maneira o efeito negativo da finura da areia. As areias muito grossas, quando utilizadas em concretos cuja dimensão máxima do agregado é pequena (9,5 mm), resultam em misturas muito ásperas e pouco coesivas, devido ao fenômeno de interferência entre partículas. Quantidades excessivas de areia aumentam demasiadamente a coesão da mistura e dificultam o lançamento e adensamento do concreto nas formas, além de também aumentarem o consumo de cimento e, consequentemente, o custo final do concreto produzido. Quanto maior for o consumo de areia, maior será o consumo de cimento, pelo fato de que a pasta é o agente lubrificante entre as partículas de areia. Em relação ao agregado graúdo, como se observou antes, grãos arredondados e de textura superficial lisa, como os seixos rolados, favorecem a plasticidade do concreto, exigindo menos água de amassamento, embora a ligação pasta-agregado no estado endurecido seja prejudicada. Cumpre, porém, ressaltar que agregados provenientes de britagem, e que, portanto possuem forma cúbica e textura superficial rugosa, apresentam maior área específica e requerem, por esta razão, maior quantidade de água de amassamento. As arestas vivas destes grãos provocam, ainda, maior atrito entre eles, aumentando, em consequência, o consumo de água e cimento da mistura. Agregadas com maiores dimensões máximas características requerem menor teor de areia para determinada plasticidade e, portanto, menor consumo de água. Por conseguinte, pode-se explicar a diminuição da área específica do agregado graúdo, que requer menos pasta para cobrir seus grãos e manter sua capacidade lubrificante entre as partículas do agregado graúdo. Isso leva a crer na vantagem Página 89 de 177 da adoção da maior dimensão máxima característica, que possibilitaria maior economia de cimento, embora para dmáx. > 38 mm a perda de resistência do concreto devido à menor área de aderência entre a pasta e o agregado inviabilizasse essa vantagem. Misturas contendo quantidades excessivas de agregados graúdos resultam em massas de concreto fresco com baixa coesão e mobilidade, exigindo grande esforço no seu lançamento e adensamento. 3.1.3 - PODER DE RETENÇÃO DE ÁGUA Basicamente o poder de retenção de água do concreto é o inverso da exsudação. A quantidade de água do concreto deve ser suficiente para a hidratação do cimento e também alcançar a trabalhabilidade desejada. 3.1.4 - TRABALHABILIDADE (texto extraído da Associação Brasileira de Cimento Portland, www.abcp.org.br, 31/03/2010) É a propriedade que se verifica na capacidade de ser misturado, transportado e aplicado sem perder a homogeneidade, ou seja, o concreto mantém suas características estáveis desde a mistura até a aplicação (DAFICO, 1987). A trabalhabilidade envolve de dois componentes principais: a consistência, que descreve a facilidade de mobilidade, e a coesão, que descreve a resistência à exsudação ou à segregação da mistura. A trabalhabilidade não é, como a consistência, uma propriedade inerente ao próprio concreto, envolve também as considerações relativas ao tipo de obra e métodos de execução. Assim, um concreto conveniente para estruturas de grandes dimensões e pouco armado pode não ser para estruturas delgadas e muito armadas. Em outro caso o concreto pode ser adequado para adensamento com vibrador, mas, dificilmente estará bem moldado com adensamento manual. Fica clara a importância da trabalhabilidade em tecnologia do concreto. É uma das propriedades básicas que devem ser atendidas (MEHTA & MONTEIRO, 1994). Em uma obra em que as dimensões das peças, tipo de armaduras e processo de execução está condizente com o diâmetro máximo do agregado, a trabalhabilidade dependerá da consistência do concreto. Assim pode-se ter uma série de misturas trabalháveis, mas de consistências diferentes: concreto seco, plástico ou fluido. A natureza da obra e o adensamento requerido indicarão o grau de consistência mais conveniente. Devido à natureza composta da trabalhabilidade, nenhum único método pode ser considerado como medidor dessa propriedade. O ensaio universalmente usado para medir a consistência do concreto é denominado ensaio de abatimento do tronco de cone. Existem outros métodos para avaliação da consistência do concreto, dentre eles estão: ensaios de penetração e ensaios de escorregamento. Página 90 de 177 3.1.5 - SEGREGAÇÃO E EXSUDAÇÃO Segregação da mistura é a perda de sua homogeneidade. É a separação de seus constituintes, impedindo a obtenção de um concreto uniforme e convenientemente compactado. É na diferença dos tamanhos de grãos do agregado e na massa específica dos constituintes que se encontram as causas primárias da segregação (BAUER, 1994), mas ela pode ser controlada pela escolha conveniente da granulometria dos agregados e com cuidados no transporte, lançamento e adensamento do concreto. Existem duas formas de segregação do concreto; na primeira, os grãos maiores do agregado tendem a separar-se dos demais, quer quando se depositam no fundo das fôrmas, quer quando se deslocam mais rapidamente, no caso de transporte em calhas. Na segunda forma de segregação, comum nas misturas muito plásticas, manifesta-se a nítida separação da pasta. Quando são utilizados alguns tipos de granulometria em concretos pobres e secos, a primeira forma de segregação pode ocorrer. A adição de água poderá melhorar a coesão, mas quando a mistura se torna muito úmida, ocorre a segunda forma de segregação (NEVILLE, 1963). A vibração excessiva do concreto pode levar à segregação dos materiais. A exsudação é o fenômeno cuja manifestação externa é o aparecimento de água na superfície do concreto, após o lançamento e adensamento, porém antes de ocorrer a pega. A água é o componente mais leve do concreto, assim a exsudação é uma forma de segregação, pois os sólidos em suspensão tendem a se sedimentar sob a ação da força da gravidade. A exsudação resulta da incapacidade dos materiais reterem toda a água da mistura em estado disperso, enquanto os sólidos mais pesados estiverem assentando. A compactação total do concreto é essencial para que o mesmo possa atingir o potencial máximo de resistência, isso não irá ocorrer após a segregação, portanto é importante reduzir a tendência de ocorrência desse fenômeno. A exsudação apresenta-se sob várias formas. Inicialmente, somente parte da água de exsudação sob à superfície; uma grande parte dessa água fica retida embaixo dos agregados maiores e nas barras horizontais da armadura, quando existirem. Se a perda de água pela exsudação fosse uniforme em todo o concreto e aparecesse na superfície e fosse retirada, a qualidade do concreto melhoraria com a redução da relação água/cimento. Na prática, entretanto isso não acontece. Normalmente as cavidades provocadas pela água exsudada sob os agregados graúdos e armaduras são grandes e numerosas, deixando a parte superior do elemento estrutural mais fraca que a inferior. São causas de segregação e exsudação: consistência inadequada, composição inadequada dos agregados (quantidade excessiva de agregados graúdos com densidade muito alta), quantidade insuficiente de finos (areia e cimento) e métodos impróprios de lançamento e adensamento. A segregação em misturas muito secas pode às vezes ser reduzida com um pequeno acréscimo de água. Entretanto, na maioria dos casos, é necessária uma observação mais rigorosa na granulometria dos agregados. O aumento do Página 91 de 177 consumo de cimento, o uso de adições minerais e de ar incorporado são medidas empregadas para combater a tendência à exsudação das misturas de concreto. 3.1.5 - PERDA DE ABATIMENTO A perda de abatimento é a perda de fluidez do concreto fresco com o passar do tempo ou enrijecimento incomum do mesmo, ao ponto de provocar efeitos indesejáveis. Ela se dá quando a água livre da mistura de concreto é consumida pelas reações de hidratação ou por evaporação. Os problemas causados pela perda de abatimento podem ser superados produzindo-se um concreto com abatimento inicial maior que o necessário para a concretagem (fazendo uma compensação prévia da perda) ou promovendo-se o reamassamento do concreto, mediante o acréscimo de água (respeitada a relação água/cimento estabelecida) ou de aditivo. 3.1.6. MUDANÇAS INICIAIS DE VOLUME A redução de volume nas peças de concreto, caracterizada pelo assentamento do mesmo, algumas horas após o lançamento, e pelo aparecimento de fissuras horizontais é conhecida como retração plástica. A retração plástica pode ser causada pela sedimentação, pela rápida perda de água, por exsudação, absorção ou evaporação e deformações das formas. A prevenção da retração plástica pode se dar tomando-se medidas de combate aos agentes externos da mesma, quais sejam: · Umedecimento das fôrmas dos elementos a serem concretados; · Redução da incidência de ventos e da insolação; · Proteção do concreto com sacos ou camada de areia molhados, compostos de cura ou água. As fissuras podem se dar também por obstrução ao assentamento do concreto e são muito comuns em lajes. Em qualquer hipótese, se o concreto ainda estiver em estado plástico, pode-se proceder a revibração para a eliminação das mesmas. 3.1.7 - FATORES INTERNOS QUE AFETAM A TRABALHABILIDADE Para o estudo dos fatores que afetam a trabalhabilidade, é mais apropriado estudar os fatores que afetam a consistência e a coesão da mistura. Pode-se controlar a consistência e/ou coesão da mistura pela quantidade de água, o teor de cimento, a granulometria e forma dos agregados (além de outras características físicas), aditivos e ainda outros fatores que afetam a perda de abatimento: Página 92 de 177 3.1.7.1 - Consumo de água Conforme a norma ACI 211.1, citada por MEHTA E MONTEIRO (1994), para uma dada dimensão máxima do agregado graúdo, a consistência do concreto é função direta da quantidade de água na mistura, isto é, dentro de certos limites é independente de outros fatores, tais como: granulometria e teor de cimento. Misturas de concretos muito fluidos tendem a segregar e exsudar, afetando desfavoravelmente o acabamento. Misturas muito secas podem ser difíceis de lançar e adensar, e o agregado graúdo pode segregar no ato do lançamento. 3.1.7.2 - Consumo de cimento Concretos com consumo de cimento muito baixo tendem a produzir misturas ásperas e de acabamento precário. Por outro lado, concretos com proporção de cimento muito alta, apresentam excelente coesão, mas tendem a ser viscosos. 3.1.7.3 - Características dos agregados Dados experimentais já comprovaram que o tamanho do agregado graúdo influencia na quantidade de água necessária para uma determinada consistência. Areias muito finas ou angulosas necessitarão de maior quantidade de água para uma dada consistência. Areias com essas características produzirão misturas ásperas e pouco trabalháveis com quantidades de água adequadas para areias mais grossas ou de grãos arredondados. 3.1.8 - FATORES EXTERNOS QUE AFETAM A TRABALHABILIDADE Além destes fatores (item anterior) que são internos, ao concreto, existem outros fatores externos que podem influenciar a trabalhabilidade, a saber: · Tipos de mistura (manual ou mecânica); · Transporte e lançamento; · Adensamento; · Dimensões e armadura da peça executada; · Acabamento; · Ventilação; · Insolação; · Temperatura ambiente; · Ritmo e velocidade de concretagem; · Qualidade das formas etc. 3.1.9 - EFEITO DO TEMPO E DA TEMPERATURA SOBRE A TRABALHABILIDADE Extraído do Livro Propriedades do concreto, de Adam M. Neville. O concreto fresco enrijece com o tempo. Isso não deve ser confundido com a pega do cimento. Esse fato ocorre simplesmente por que parte da água da mistura é absorvida pelo agregado, se não estiver saturado, parte é perdida por evaporação, particularmente se o concreto for exposto ao sol, e parte é Página 93 de 177 removida pelas reações iniciais. Depois de cerca de uma hora após o início da mistura, o fator de adensamento diminui de cerca de 0,1. O valor exato da perda de trabalhabilidade depende de vários fatores. Primeiro, quando maior a trabalhabilidade inicial, maior a perda de trabalhabilidade. Segundo, a velocidade de perda de abatimento é maior nas misturas mais ricas. Além disso, essa velocidade depende das propriedades do cimento usado: é maior com altos teores de álcalis e quando o teor de sulfatos é muito baixo. A variação da trabalhabilidade com o tempo depende também da condição de umidade do agregado (para um dado teor total de água); a perda é maior com agregado seco devido à absorção de água pelo agregado, como, naturalmente, seria de esperar. Os aditivos redutores de água, embora retardem o enrijecimento inicial do concreto, muitas vezes resultam um certo aumento da velocidade de perda de abatimento. A trabalhabilidade de uma mistura também é influenciada pela temperatura ambiente, embora, a rigor, deve haver preocupação com a temperatura do próprio concreto. Em ensaios realizados em laboratório pôde-se concluir que, em dias quentes, o teor de água da mistura deve ser aumentado para que se mantenha a trabalhabilidade inicial. A perda de abatimento de misturas rijas é menos influenciada pela temperatura porque elas são menos influenciadas por variações no teor de água. Como a trabalhabilidade diminui com o tempo, é importante medir, digamos, o abatimento, após o decurso de tempo predeterminado após o início da mistura. É interessante medir o abatimento imediatamente após a descarga da betoneira, par efeito de controle da dosagem. Também é interessante determinar o abatimento no momento do lançamento do concreto nas fôrmas, com a finalidade de assegurar a trabalhabilidade adequada aos meios de adensamento utilizados. 3.2 - ADITIVOS Trecho extraído de “concreto, estrutura, propriedades e materiais”, de P Kumar Metha e Paulo Monteiro. O entendimento de que as propriedades do concreto, tanto no estado fresco como no endurecido, podem ser modificadas pela adição de certos materiais à misturas de concreto, é responsável pelo enorme crescimento da indústria de aditivos durante os últimos 40 anos. Centenas de produtos estão sendo comercializados hoje e em alguns países não é incomum o fato de que 70 a 80 % de todo o concreto produzido contenha um ou mais aditivos; assim, é absolutamente importante que os engenheiros civis estejam familiarizados com os aditivos comumente empregados, juntamente com suas aplicações e limitações características. O ar incorporado melhora a consistência do concreto, pois aumenta o volume de pasta. Também aumenta a coesão da mistura, com a redução da exsudação e da segregação. Em concretos-massa, que possuem uma quantidade menor de cimento, a incorporação de ar produz uma boa melhoria na Página 94 de 177 consistência e coesão. Aditivos pozolânicos tendem a aumentar a coesão do concreto. Aditivos redutores de água aumentam o abatimento. 3.2.1 – DEFINIÇÃO E IMPORTÂNCIA Trecho extraído de “concreto, estrutura, propriedades e materiais”, de P Kumar Metha e Paulo Monteiro. ADITIVO definido como um material, além da água, agregados, cimentos hidráulicos e fibras, empregado como um constituinte do concreto ou argamassa e adicionado na betoneira imediatamente antes ou durante a mistura. O meio técnico lista 20 finalidades importantes para as quais os aditivos são empregados, por exemplo, para aumentar a plasticidade do concreto sem aumentar o teor de água, reduzir a exsudação e a segregação, retardar ou acelerar o tempo de pega, acelerar a velocidade de desenvolvimento da resistência nas primeiras idades, retardar a taxa de evolução de calor, e aumentar a durabilidade em condições específicas de exposição. A compreensão de que propriedades importantes do concreto, tanto no estado fresco quanto no endurecido, podem ser modificadas com vantagem pela aplicação de aditivos, deram um impulso à indústria de aditivos que dentro dos 20 anos após o início do desenvolvimento da indústria nos anos 40, aproximadamente 275 produtos diferentes foram comercializados na Inglaterra e 340 na Alemanha. Atualmente, a maior parte do concreto produzido em alguns países contém um ou mais aditivos. 3.2.2 - ESPECIFICAÇÕES E CLASSIFICAÇÕES Trecho extraído de “concreto, estrutura, propriedades e materiais”, de P Kumar Metha e Paulo Monteiro. Os aditivos variam amplamente quanto à composição química e muitos desempenham mais de uma função; consequentemente é difícil classificá-los de acordo com as suas funções. As substâncias empregadas como aditivos podem ser divididas, de modo amplo, em dois tipos. Algumas substâncias começam a agir instantaneamente sobre o sistema água-cimento, por modificação da tensão superficial da água e por absorção à superfície das partículas de cimento: outras se dissociam em seus íons constituintes e afetam as reações químicas entre os compostos do cimento e da água, de alguns minutos até algumas horas após a adição. São também empregados como aditivos materiais insolúveis finamente moídos, tanto de fontes naturais ou como subprodutos de algumas indústrias. O efeito físico da presença destes aditivos sobre o comportamento reológico do concreto fresco torna-se imediatamente visível, mas leva de alguns dias a alguns meses para que os efeitos químicos se manifestem. Os sais solúveis e os polímeros, agentes tensoativos ou outros, são adicionados ao concreto em quantidades muito pequenas, principalmente com o propósito de incorporar ar, tornar o concreto fresco plástico, ou controlar o tempo de pega. Com o uso de aditivos plastificantes é possível aumentar a Página 95 de 177 fluidez sem aumentar o teor de água, ou reduzir o teor de água mantendo um a mesma consistência do concreto fresco. 3.2.3 - PRINCIPAIS TIPOS E FUNÇÕES Texto extraído da Revista Técne n. 81 Dezembro de 2003 – Editora Pini. A ABNT NBR 11.768 – Aditivos para concreto de cimento Portland considera apenas os mais usuais na construção brasileira (ver tabela 01 abaixo). Ainda assim resta uma gama enorme de produtos importantes (ver tabela 02 abaixo), além de outros como redutor de ar incorporado, promotor de viscosidade, redutor de expansão álcali-agregado, gerador de gás, facilitador de bombeamento, promotor de adesão, fungicida, inseticida e bactericida. Tabela 01 – Aditivos normalizados. Fontes: ABESC, IPT, CARINE HARTMANN E FABRICANTES. Aditivo – Acelerador de pega (A). - Efeito: Pega mais rápida e resistência inicial mais elevada. - Usos: Pré-moldados, reparos rápidos e concretos projetado. - Dosagem: até 3 % da massa de cimento (formiato de sódio). - Vantagens: Ganho de resistência em baixas temperaturas e redução do tempo de desforma. - Desvantagens: Possível fissuração devido ao calor de hidratação, risco de corrosão de armaduras (cloretos) e, em alguns casos, redução da resistência a idades elevadas. - Principais fabricantes: MBT, Otto Baumgart, Wolf Hacker, mactra, Sika. Aditivo – Incorporador de ar (IAR) - Efeito: Incorpora pequenas bolhas de ar no concreto - Usos: Concreto submetido a grandes variações de temperatura (gelo e degelo ou em câmara frigorífica) e concreto massa, pois diminui o atrito entre os agregados. - Dosagem: Menos de 0,1 % da massa de cimento. - Vantagens: Aumenta a durabilidade ao congelamento do concreto sem elevar o consumo de cimento e o calor de hidratação, reduz o teor de água e a permeabilidade do concreto, bom desempenho em concretos de baixo consumo de cimento. - Desvantagens: Necessita de controle cuidadoso da porcentagem de ar incorporado e do tempo de mistura, retarda a pega, reduz a resistência mecânica, para determinada relação água/aglomerante o aumento da trabalhabilidade pode ser muito pequeno. - Principais fabricantes: MBT, Otto Baumgart, Wolf Hacker, Fosroc, Sika. Página 96 de 177 Aditivo – Plastificante (P). - Efeito: Aumenta o índice de consistência e possibilita redução de, no mínimo, 6 % da água de amassamento, ou reduz a água de amassamento para uma determinada consistência. - Usos: concreto e graute. - Dosagem: entre 0,25 % e 1,5 % da massa de cimento. - Vantagens: Maior trabalhabilidade para determinada resistência, maior resistência para Determinada trabalhabilidade e menor consumo de cimento para determinada resistência e trabalhabilidade. - Desvantagens: Retardamento do início de pega para dosagens elevadas do aditivo, riscos de segregação e enrijecimento prematuro em determinadas condições. - Principais fabricantes: MBT, Otto Baumgart, Wolf Hacker, mactra, Sika, Fosroc e Denver Global. Aditivo – Retardador de pega (R). - Efeito: Aumenta o tempo de início e fim de pega. - Usos: Concretagem de grandes volumes ou em locais distantes da concreteira. - Dosagem: Os que forem à base de sulfoaluminato de cálcio podem ser colocados até 15 % da massa de cimento. - Vantagens: Mantém a trabalhabilidade a temperaturas elevadas, aumenta a resistência a idades elevadas, retarda a elevação do calor de hidratação e amplia os tempos de aplicação. - Desvantagens: Pode promover exsudação e aumentar a retração plástica do concreto. - Principais fabricantes: MBT, Otto Baumgart, Wolf Hacker, mactra, Sika, Fosroc e Denver Global. Aditivo – Superplastificante (SP) - Efeito: Elevado aumento do índice de consistência, possibilita redução de, no mínimo, 12% da água de amassamento. - Usos: concreto e graute. - Dosagem: Até 1,5% da massa de cimento. - Vantagens: Age tanto como eficiente redutor de água como fluidificante na produção de concreto auto-adensáveis. - Desvantagens: Riscos de segregação de mistura, duração limitada do efeito fluidificante pode Página 97 de 177 levar à perda de consistência, o efeito nem sempre dura muito tempo, incorporação de ar. - Principais fabricantes: MBT, Fosroc, Wolf Hacker, Sika. Aditivo – Plastificante e Acelerador (PA). - Efeito: Combinado de Plastificante e Acelerador de pega. - Usos: Combinado de Plastificante e Acelerador de pega. - Dosagem: consultar fabricante. - Vantagens: Reduz a água e permite ganho mais rápido de resistência. - Desvantagens: Riscos de corrosão de armadura (cloretos). - Principais fabricantes: Otto Baumgart, Wolf Hacker. Aditivo – Plastificante e retardador (PR). - Efeito: Combinado de plastificante e retardador. - Usos: Combinado de plastificante e retardador. - Dosagem: consultar fabricante. - Vantagens: Em climas quentes diminui a perda de consistência. - Desvantagens: Aumento da exsudação e retração plástica, pode provocar segregação. - Principais fabricantes: MBT, Otto Baumgart, Wolf Hacker, Fosroc e Sika. Aditivo – Superplastificantes aceleradores (SPA). - Efeito: Combinado de Superplastificantes e aceleradores. - Usos: Combinado de superplastificantes e aceleradores. - Dosagem: consultar fabricante. - Vantagens: As mesmas de superplastificantes e aceleradores. - Desvantagens: Diminuição da resistência a idades elevadas. - Principais fabricantes: Otto Baumgart. Aditivo – Superplastificantes retardadores (SPR). - Efeito: Combinado de superplastificantes e retardadores. - Usos: Combinado de superplastificantes e retardadores. - Dosagem: consultar fabricante. - Vantagens: Aumento da resistência a idades elevadas. - Desvantagens: As mesmas de superplastificantes e retardadores. - Principais fabricantes: Otto Baumgart. Tabela 02 – Aditivos não normalizados. Fontes: IPT E FABRICANTES. Aditivo – Expansor - Efeito: Expande o concreto para compensar os efeitos da retração. - Usos: Pisos, lajes e recuperação de estruturas. - Dosagem: Até 10 % da massa de cimento (no caso dos que forem à base de óxido de cálcio). Página 98 de 177 - Cuidados: Pode reduzir a resistência a ataques de sulfatos e exigir controle tecnológico especial. Uma superdosagem pode provocar fissuração. - Principais fabricantes: MBTY, Wolf Hacker, Sika. Aditivo – Hidrofugante. - Efeito: Reduz a penetração de água por absorção capilar. - Usos: concreto e graute. - Dosagem: de 0,5% a 10 % da massa de cimento. - Cuidados: Pode retardar o início e o fim da pega.. - Principais fabricantes: MBT, Wolf Hacker, Sika, Otto Baumgart. Aditivo – Impermeabilizante - Efeito: Reduz a penetração de umidade sob pressão e de elementos agressivos. - Usos: Argamassas de reparo, concreto de reservatórios e rejuntes. - Dosagem: de 0,5% a 10 % da massa de cimento. - Cuidados: Maior risco de retardamento da pega e de diminuição da eficiência de plastificantes e superplastificantes. - Principais fabricantes: MBT, Wolf Hacker, Sika, Fosroc, Otto Baumgart, Mactra. Aditivo – Inibidor de corrosão - Efeito: Reduz a corrosão causada por cloretos. - Usos: materiais de reparo, concreto submetido a cloretos. - Dosagem: De 1% a 3 % da massa de cimento. - Cuidados: Diminuição da resistência mecânica. - Principais fabricantes: MBT, Otto Baumgart, Fosroc, Sika. Aditivo – Redutor de retração - Efeito: Reduz a retração do concreto. - Usos: Pisos e lajes. - Dosagem: Até 2 % da massa de cimento. - Cuidados: Diminuição da eficiência de plastificantes, superplastificantes e incorporadores de ar. - Principais fabricantes: MBT, Fosroc, Denver Global, Wolf Hacker. 3.2.4 - CUIDADOS E CONCLUSÃO Texto extraído da Revista Técne n. 81 Dezembro de 2003 – Editora Pini. Com tantos tipos e combinações possíveis, os cuidados na aplicação devem ser apurados. Por isso, as concreteiras fazem testes de compatibilidade e desempenho de cada aditivo com os diversos tipos de cimento. Mas essa realidade não é compartilhada por toda a cadeia produtiva. A maioria das empresas não tem condições técnicas e financeiras de arcar com ensaios. Nesse caso, a saída é contar com as indicações dos fabricantes. Um aditivo é um Página 99 de 177 material muito técnico que não pode ser vendido sem uma análise cuidados do que será necessário fazer. A importância de se especificar o aditivo é que, se mal-empregado, o produto pode trazer malefícios ao concreto. Desses problemas, um dos mais graves é o uso incorreto de aceleradores de pega com altas taxas de cloreto, material agressivo às armaduras. Por isso, a norma brasileira proíbe que haja mais de 0,15 % de cloreto em relação à massa total de cimento. No caso de concreto protendido, esse índice baixa para 0,05%. Figura 03 – Medição do abatimento do concreto no Slump Test Ensaiar a compatibilidade entre aditivos e cimentos permite conhecer de forma mais segura o desempenho real do concreto aditivado. 4 - PROPRIEDADES DO CONCRETO ENDURECIDO 4.1 - INTRODUÇÃO Trecho extraído do livro de “Materiais para construção”, de L.A. Falcão Bauer. O concreto, considerado como um sólido a partir da pega é um material em perpétua evolução. É sensível às modificações das condições ambientais, físicas, químicas, mecânicas, com reações geralmente lentas registradas de certo modo nas suas características, que dependem de sua história. A idade e a história do concreto condicionam em proporção importante as suas características e propriedades. Essas características e propriedades, em seu conjunto, qualificam o concreto. Devem, entretanto, ser consideradas em ternos relativos, segundo a qualidade exigida para um fim determinado de construção. Exemplificando, a durabilidade de um concreto pode ser perfeitamente aceitável quando a estrutura se encontra devidamente protegida da ação dos elementos e ser, alternativamente, inteiramente inadequada se exposta diretamente à ação de agentes desintegradores; a impermeabilidade é característica essencial dos concretos utilizados em estruturas hidráulicas, não sendo elemento essencial da qualidade dos concretos utilizados nas estruturas de edifícios, quando as Página 100 de 177 exigências fundamentais são deslocadas para as características mecânicas de resistência e rigidez. Podem ainda resultar num elevado preço os processos que conduzem ao alcance do máximo de perfeição nas características que compõem a qualidade desejada, quando se pode, alternativamente, resolver satisfatoriamente, atendendo às condições de vida em serviço da estrutura, com material de qualidade inferior e, em geral, custo mais baixo. Em outras palavras, a qualidade do concreto deve ser subordinada à economia geral do projeto, atendendo não somente aos aspectos do custo inicial, mas também ao entretenimento da estrutura durante toda a sua vida em serviço. O conhecimento das propriedades, de suas possibilidades e limitações e dos fatores que as condicionam é o elemento que permite ao engenheiro escolher o material adequado para trabalho em suas obras. 4.2 - RESISTÊNCIA Trecho extraído de Concreto: Estrutura, propriedades e materiais, de P. Kumar Metha e Paulo J.M. Monteiro. A resistência do concreto é a propriedade mais valorizada pelos engenheiros projetistas e de controle de qualidade. Só recentemente em nosso país se iniciou uma conscientização quanto à necessidade de construir obras duráveis. Os antigos projetistas e construtores imaginavam que as obras em concreto tinham automaticamente durabilidade infinita. Nos sólidos existe uma relação fundamental inversa entre porosidade (fração de volume de vazios) e resistência. Consequentemente, em materiais de várias fases como o concreto, a porosidade de cada componente ou fase de sua estrutura pode se tornar um fator limitante da resistência. Os agregados naturais são geralmente densos e resistentes; portanto, a porosidade da matriz, que é a pasta de cimento endurecida, bem como a zona de transição entre a matriz e o agregado graúdo é a que normalmente determinam a característica de resistência dos concretos usuais. Embora o fator água/cimento seja o mais importante na determinação de ambas porosidades, da matriz e da zona de transição, e consequentemente da resistência do concreto, fatores como adensamento, condições de cura (grau de hidratação do cimento), dimensões e mineralogia do agregado, aditivos, geometria e condições de umidade do corpo de prova, tipo de tensão, e velocidade de carregamento podem também ter um efeito importante sobre a resistência. Página 101 de 177 4.2.1 - DEFINIÇÃO DE RESISTÊNCIA Trecho extraído de Concreto: Estrutura, propriedades e materiais, de P. Kumar Metha e Paulo J.M. Monteiro. A RESISTÊNCIA de um material é definida como a capacidade deste resistir à tensão sem ruptura. A ruptura é algumas vezes identificada com o aparecimento de fissuras. De qualquer modo, deve ser lembrado que, ao contrário da maioria dos materiais estruturais, o concreto contém microfissuras antes mesmo de ser submetido a tensões externas. No concreto, portanto, a resistência é relacionada com a tensão requerida para causar a fratura e é sinônimo do grau de ruptura no qual a tensão aplicada alcança seu valor máximo. No ensaio de tração, a fratura do corpo de prova normalmente significa ruptura; n compressão, o corpo de prova é considerado rompido mesmo quando não há sinal de fratura externa visível, porém a fissuração interna é muito avançada, tal que o corpo de prova é incapaz de suportar uma carga maior sem fraturar-se. 4.2.2 - IMPORTÂNCIA DE RESISTÊNCIA No projeto de estruturas de concreto, resistência é a propriedade geralmente especificada. Isto porque, comparada com a maioria das propriedades, a resistência é relativamente fácil de ser ensaiada. Contudo, muitas propriedades do concreto, como o módulo de elasticidade, estanqueidade, impermeabilidade e resistência às intempéries incluindo águas agressivas, são diretamente relacionadas com a resistência e podem, portanto, deduzidas dos dados da resistência. A resistência à compressão do concreto é muitas vezes maior do que outros tipos de resistência, e a maioria das peças de concreto são projetadas levando em conta a vantagem da alta resistência à compressão do material. Embora na prática o concreto seja submetido simultaneamente a uma combinação de compressão, cisalhamento e a esforços de tração em duas ou mais direções, os ensaios de compressão uniaxial são de mais fácil execução no laboratório. A resistência à compressão aos 28 dias, determinada através de um ensaio padrão de compressão uniaxial, é aceita universalmente como um índice geral da resistência do concreto. 4.2.2.1 - RELAÇÃO ÁGUA/CIMENTO Trecho extraído do livro: Propriedades do concreto, de Adam M. Neville Na prática da engenharia, considera-se que a resistência de um concreto a uma certa idade, curado em água a uma temperatura estabelecida, depende de apenas dois fatores: a relação água/cimento e o grau de adensamento. A influência dos vazios, neste ponto do estudo, serão considerados apenas concretos plenamente adensados: para fins de cálculos de dosagem, admite-se que o concreto contenha cerca de 1 % de vazios. Página 102 de 177 Quando o concreto está plenamente adensado, considera-se sua resistência como inversamente proporcional à relação água/cimento. Esta relação foi precedida pela denominada “lei”, mas na realidade uma regra, estabelecida por Duff Abrams em 1919. Ele determinou que a resistência é igual a: Fc = K1/K2^(a/c) Onde (a/c) representa a relação água/cimento da mistura (inicialmente tomada em volume), e K1 e K2 são constantes empíricas. A regra de Abrams, embora estabelecida independentemente, é semelhante a uma regra geral formulada por René Féret em 1896, no fato de que ambas relacionam a resistência do concreto com os volumes de água e cimento. A regra de Féret tinha a forma: Fc = K * ((c/(c+a+v))^2 Onde fc é a resistência do concreto, c, a e v são as proporções volumétricas de cimento, água e ar, respectivamente, e K uma constante. Deve-se lembrado que a relação água/cimento determina a porosidade da pasta de cimento endurecida em qualquer estágio da hidratação. Assim, tanto a relação água/cimento como o grau de adensamento tem influência sobre o volume de vazios do concreto, e é por isso que se inclui na expressão de Féret o volume de ar no concreto. De tempos em tempos, a regra da relação água/cimento tem sido criticada como não sendo suficientemente fundamental. Não obstante, na prática, a relação água/cimento é o principal fator simples da resistência do concreto adensado plenamente. Talvez a melhor proposição da situação seja aquela de Gilkey: “Para um dado cimento e agregados aceitáveis, a resistência que pode ser obtida com uma mistura trabalhável, adequadamente lançada, de cimento, agregados e água (em iguais condições de mistura, cura e ensaio) é influenciada por: a) relação entre cimento e a água de mistura b) relação entre o cimento e o agregado c) granulometria, textura superficial, forma, resistência e rigidez das partículas de agregado d) tamanho máximo do agregado.” Pode se acrescentar que os fatores (b) e (d) são de menor importância do que o fator (a), quando se usam os agregados comuns com tamanho máximo de Página 103 de 177 até 40mm. Além disso, esses fatores estão presentes porque a resistência do concreto é resultado de: 1) resistência da argamassa; 2) aderência entre a argamassa e o agregado graúdo; 3) resistência das partículas de agregado graúdo, isto é, da capacidade de resistir às tensões aplicadas. A figura 04 mostra que a curva da resistência em função da relação água cimento tem aproximadamente a forma de uma hipérbole. Isso se aplica a concretos feitos com qualquer tipo dado de agregado e a qualquer idade. Uma propriedade geométrica da hipérbole y=k/x é que um gráfico de y em função de 1/x é uma linha reta. Assim, a relação entre a resistência a relação cimento/água, figura 05, é aproximadamente linear para valores de cimento/água no intervalo entre cerca de 1,2 a 2,5. Figura 04 - Relação entre resistência a 7 dias e relação água/cimento de concretos feitos com cimento Portland de endurecimento rápido (ARI). Página 104 de 177 Figura 05 - Gráfico de resistência em função da relação cimento/água com os dados da figura anterior. O fator água/cimento (x) é a relação entre o peso de água (Pag) e o peso de cimento (Pc) empregado no traço de um cimento. X = Pag/Pc A resistência de um concreto depende fundamentalmente do fator água/cimento, isto é, quanto menor for este fator, maior será a resistência do concreto. Mas, evidentemente, deve-se ter um mínimo de água necessária para reagir com todo o cimento e dar trabalhabilidade ao concreto. Conforme se observou anteriormente, pode-se considerar a resistência do concreto como sendo função principalmente da resistência da pasta de cimento endurecida, do agregado e da ligação pasta/agregado. Quando se trata de resistência à compressão, a resistência da pasta é o principal fator. Por outro lado, é conhecida a influência da porosidade da pasta sobre a resistência do concreto. Como porosidade depende do fator água/cimento, assim como do tipo de cimento, pode-se dizer que para um mesmo tipo de cimento a resistência da pasta depende unicamente do fator água/cimento, este também um dos principais fatores determinantes da resistência da ligação pasta/agregado. A influência da idade na resistência mecânica do concreto está diretamente associada à resistência da pasta, que por sua vez é determinada pelo tipo de cimento. Conforme também se observou nas aulas passadas sobre agregados, a resistência do agregado deve ser igual ou superior à resistência do concreto que se pretende fabricar. No que respeita à ligação pasta/agregado, esta depende, Página 105 de 177 basicamente, da forma, da textura superficial e da natureza química dos agregados. A forma e a textura, por exemplo, podem alterar significativamente a área específica dos agregados, influindo diretamente na ligação pasta/agregado. Partículas que tendem à forma cúbica apresentam maior área específica do que as que se aproximam da forma arredondada. De igual modo, quando a textura superficial é rugosa, a resistência mecânica do concreto aumenta consideravelmente, sobretudo nos esforços de tração na flexão. O mesmo efeito é obtido quando se reduz a dimensão máxima característica do agregado graúdo. Com relação à reatividade potencial, alguns agregados naturais contendo sílica hidratada e certas rochas carbonatadas, especialmente calcários dolomíticos argilosos, desenvolvem reações químicas de interação com os álcalis do cimento Portland. Em consequência, é possível produzir deteriorações por aumento de volume em estruturas submetidas a condições de umidade permanente. Finalmente, outro fator da maior relevância na resistência final do concreto a esforços mecânicos é a cura - procedimento utilizado para favorecer a hidratação do cimento que consiste no controle da temperatura e no movimento da água de dentro para fora e de fora para dentro do concreto -, visto que as condições de umidade e temperatura, principalmente nas primeiras idades, têm importância muito grande para as propriedades do concreto endurecido. 4.3 - POROSIDADE DO CONCRETO DE CIMENTO PORTLAND Extraído de “Porosidade do concreto” – Vicente C. Campiteli –Poli-USP A porosidade nos concretos é causada pelos seguintes fatores: água da mistura, porosidade dos agregados, alterações na zona de contato entre a pasta e os agregados, fissuração e deficiência da produção dos concretos. 4.3.1 - ASCENÇÃO DA ÁGUA DA MISTURA Os concretos normais, não aditivados, para serem adensados convenientemente, necessitam mais água do que a necessária para a hidratação completa do cimento. Durante e após o adensamento, água sobe, em maior ou menor quantidade, formando canalíticos de dimensões que variam de 10 μm à 100μm. Essa água que sobe dentro do concreto, pode encontrar uma partícula de agregado ou uma barra de armadura, espalhando-se neste local. Pode ocorrer também que a água em excesso suba até a superfície, dando origem ao que se chama exsudação, formando uma nata sobre a superfície do concreto. Se sobre a Página 106 de 177 água exsudada, for lançada outra camada de concreto, ela ficará parcialmente retida entre essas duas camadas. A água em excesso sob as partículas de agregados ou sob as barras da armadura provocará o descolamento da pasta, criando vazios nessas regiões, e também, pelo excesso de água, formará uma zona de acentuada porosidade. Da mesma forma, o excesso de água na superfície do concreto ou presa entre duas camadas, provocará o aumento da porosidade. 4.3.2 - POROSIDADE DOS AGREGADOS Para os agregados comuns, o espaço de poros acessíveis (abertos) pode-se constituir num volume de aproximadamente 0% a 20%, sendo em geral, de 0,5% até 5%. A Tabela 03 apresenta alguns valores de porosidade de rochas comuns: Tabela 03 – Porosidade de rochas GRUPO POROSIRDADE (%) Arenito 0,0% a 48% Quartzito 1,9% a 15,1% Calcário 0,0% a 37,6% Granito 0,4% a 3,8% Os poros dos agregados variam muito em tamanho, sendo que os maiores podem ser vistos ao microscópio óptico ou a olho nu. Mas, mesmo nos poros menores são, em geral, maiores do que os poros de gel da pasta de cimento endurecida. A água pode penetrar nos poros dos agregados, sendo que a quantidade e a extensão dessa penetração dependem das dimensões, continuidade e volume total dos poros. Já, a pasta de cimento, devido à viscosidade, não consegue penetrar até uma profundidade grande, senão nos poros maiores. A porosidade dos agregados é de grande importância para a qualidade dos concretos, tanto que alguns países especificam a qualidade dos agregados para concreto em função de sua porosidade, entre outras propriedades relevantes. No caso de agregados leves, o volume de vazios varia de 30% a 60%. Nesse caso, os vazios são relativamente grandes e interligados. Página 107 de 177 4.3.2.1 - ZONA DE CONTATO ENTRE A PASTA E O AGREGADO Na zona de contato entre a pasta de cimento endurecida e os agregados (interface) pode ocorrer excesso de porosidade por aumento de relação água/cimento, por deficiência de aglomerantes ou por tensões provenientes de cargas externas. O aumento da relação água/cimento, caudado pela exsudação da água durante ou após o adensamento a qual se espalha sob os agregados, provocará o descolamento entre a pasta e os agregados e o aumento da porosidade da pasta nesta região. Em misturas pobres em aglomerantes ou devido à deficiência de homogeneização da mistura pode ocorrer falta de envolvimento dos agregados pela pasta, o que acarretará porosidade na interface. Com relação ao carregamento externo, à medida que se processa o carregamento, aumentando as deformações, o número e a extensão dos descolamentos aumentam. Esses descolamentos dependem das propriedades do agregado graúdo. A resistência de aderência entre a pasta e os agregados é influenciada pelas características da superfície, pela forma e pelo tipo de agregado, para uma dada pasta de cimento endurecida. 4.3.2.2 – QUANTIDADE DE POROS NO CONCRETO Num concreto de boa qualidade, as primeiras idades, a porosidade é de 20% a 25% e, a uma idade madura, é de 10% a 15%. Mas, não é possível para um concreto, ter um volume de vazios de menos de 10%. Os concretos podem ser classificados de acordo com a porosidade, conforme mostra a Tabela 04: Tabela 04 - Classificação da qualidade do concreto em função da porosidade Qualidade do concreto Porosidade (%) Excelente 10 a 11 Boa 11 a 15 Satisfatória 16 a 18 Medíocre 19 a 22 Ruim e muito ruim Acima 22 Página 108 de 177 4.3.2.3 – ABSORÇÃO DE ÁGUA Absorção é um processo físico pelo qual o concreto retém água nos poros e condutos capilares e é função dos poros que têm comunicação com o exterior. A água tem acesso aos poros do concreto pela pressão ou pelo fenômeno de capilaridade. A capilaridade, que é característica dos materiais higroscópicos, se desenvolve por sucção capilar, independente de pressão exterior e necessita apenas contato com o foco de umidade. A água absorvida por capilaridade permanece na rede capilar, podendo sofrer evaporação através das extremidades externas dos vasos. A absorção é uma maneira de se medir o volume dos poros abertos, isto é, acessíveis a água. A partir do volume de água absorvida pode-se determinar a porosidade, que é a relação entre o volume dos poros e o volume total do corpo de prova. A porosidade determinada por absorção de água chama-se porosidade aberta ou aparente. A variação da absorção também é sensível com o consumo de cimento, sendo que quanto maior o consumo, em concretos bem dosados, menor será a absorção. A absorção não pode ser usada como medida de qualidade de um concreto, mas grande parte dos concretos de boa qualidade tem absorção bem abaixo de 10%. 4.3.2.4 – CONSIDERAÇÕES FINAIS A porosidade do concreto é influenciada pelos seguintes fatores: a) EXSUDAÇÃO: para evitar a exsudação, devem-se dosar concretos com mínimo fator de água/cimento, compatível com a trabalhabilidade necessária, e aumentar a quantidade de finos com diâmetro menor do que 0,15mm. b) AGREGADOS: os agregados devem ter se possível, forma cúbica, textura áspera, alguma atividade química não expansiva com a pasta (agregados calcários ou altamente solicosos), pequeno teor de poros e ter poros de pequeno tamanho. c) INTERFACE PASTA-AGREGADOS: a zona de contato entre a pasta e os agregados será melhorada se, além de atender as recomendações do item b, adicionarem-se materiais pozolânicos, tais como cinzas volantes ou microssílicas. Página 109 de 177 d) PASTA: a pasta que compõe o concreto terá porosidade mínima nas seguintes condições: - ter baixo fator água/cimento ( abaixo de 0,55 l/kg.) - quanto maior a idade, para uma dada temperatura. - quanto mais cuidadosa e prolongada for a cura. e) ADIÇÕES: o uso de adições, tais como escória granulada de alto forno, cinzas volantes, microssílicas, cinzas de cascas de arroz e outras de eficiência comprovada, provocam a diminuição do tamanho dos poros, se forem convenientemente dosadas. f) ADITIVOS: uso de aditivos redutores de água ou superplastificantes, que possibilitem redução do fator a/c, mantendo trabalhabilidade adequada. Todas essas recomendações serão úteis por ocasião da dosagem do concreto, quando o tecnologista deverá compatibilizar os materiais existentes na região com as condições da obra. Além das recomendações anteriores, um concreto bem dosado, com materiais de boa qualidade, terá boa porosidade se as operações de mistura, transporte, adensamento e cura forem cuidadosamente atendidas. Além disso, as fôrmas utilizadas deverão ser estanques, não absorventes (impermeáveis ou saturadas com água antes do lançamento) e também deverão ser indeformáveis. O conhecimento das causas que levam um concreto a ser pouco poroso ou impermeável possibilita ao construtor ou ao tecnologista tomar providências antes ou durante o andamento de uma borá, para se evitar problemas patológicos futuros. 4.4 - RESISTÊNCIA MECÂNICA DO CONCRETO Apontamentos extraídos do livro: “Manual de dosagem e controle do concreto” – Paulo Helene/ Paulo Terzian – Ed. Pini, e Normas Brasileiras. No que respeita à resistência mecânica do concreto endurecido, ou seja, a sua capacidade de resistir às diversas condições de carregamento a que possa estar sujeito quando em serviço, destaca-se a resistência à compressão, à tração, à flexão e ao cisalhamento. O processo de endurecimento dos concretos à base de cimento Portland é muito longo, podendo levar mais de dois anos para completar-se. Com a idade o concreto endurecido vai aumentando a resistência a esforços mecânicos. Aos 28 dias de idade já adquiriu cerca de 75 a 90% de sua resistência total. É na Página 110 de 177 resistência mecânica apresentada pelo concreto endurecido 28 dias após a sua execução que se baseia o cálculo dos elementos de concreto. Conforme a NBR 6118 chamamos de: fc - Resistência à compressão do concreto fcd - Resistência à compressão do concreto de cálculo fcj - Resistência à compressão do concreto aos j dias fck - Resistência à compressão do concreto característica fcm - Resistência à compressão do concreto média fct - Resistência do concreto à tração direta fct,f - Resistência do concreto à tração na flexão fct,sp - Resistência do concreto à tração indireta 4.4.1 - Resistência à compressão A resistência à compressão simples, denominada fc, é a característica mecânica mais importante. Um fator relevante na determinação e controle da resistência à compressão do concreto é a existência de certa correlação entre essa resistência e a resistência à tração do concreto. A resistência à tração na flexão equivale, aproximadamente, à quinta parte da resistência à compressão do concreto; a resistência à tração simples é igual à décima parte da resistência à compressão do concreto, assim expressas: ft = fc/10 e ft'= fc/5 Chamamos de fck a resistência característica do concreto à compressão, que é a resistência adotada para fins de cálculo, onde se admite a probabilidade da ocorrência de apenas 5% de resistência à compressão menor do que ela. Para estimá-la em um lote de concreto, são moldados e preparados corpos de prova segundo a NBR 5738 – Moldagem e cura de corpos-de-prova cilíndricos ou prismáticos de concreto, os quais são ensaiados de acordo com a NBR 5739 – Concreto – Ensaio de compressão de corpos-de-prova cilíndricos. O corpo de prova padrão brasileiro é o cilíndrico, com 15 cm de diâmetro e 30 cm de altura, e a idade de referência é 28 dias. Após ensaio de um número muito grande de corpos de prova, pode ser feito um gráfico com os valores obtidos de fc versus a quantidade de corpos de Página 111 de 177 prova relativos a determinado valor de fc, também denominada densidade de frequência. A curva encontrada denomina-se Curva Estatística de Gauss ou Curva de Distribuição Normal para a resistência do concreto à compressão (Figura 6). Figura 6 – Curva de Gauss para a resistência do concreto à compressão Na curva de Gauss encontram-se dois valores de fundamental importância: resistência média do concreto à compressão, fcm, e resistência característica do concreto à compressão, fck. O valor fcm é a média aritmética dos valores de fc para o conjunto de corpos de prova ensaiados, e é utilizado na determinação da resistência característica, fck, por meio da fórmula: fck = fcm –t sd fck = fcm -1,65sd O desvio padrão sd corresponde à distância entre a abscissa de fcm e a do ponto de inflexão da curva (ponto em que ela muda de concavidade). O valor t = 1,65 corresponde ao quantil2 de 5 %, ou seja, apenas 5 % dos corpos de prova possuem fc ˂ fck, ou, ainda, 95 % dos corpos de prova possuem fc ≥ fck. 2 Quantis são pontos estabelecidos em intervalos regulares a partir da função distribuição acumulada (FDA), de uma variável aleatória. Os quantis dividem os dados ordenados em q subconjuntos de dados de dimensão essencialmente igual. Dessa forma dão origem a q-Quantis; os quantis são estabelecidos a partir de pontos de corte que determinam as fronteiras entre os subconjuntos consecutivos Página 112 de 177 Figura 07 - Curva de Gauss da distribuição normal de frequência Portanto, pode-se definir fck como sendo o valor da resistência que tem 5 % de probabilidade de não ser alcançado, em ensaios de corpos de prova de um determinado lote de concreto. A NBR 8953:2009: Concreto para fins estruturais - Classificação pela massa específica, por grupos de resistência e consistência, define as classes de resistência em função de fck. Concreto classe C30, por exemplo, corresponde a um concreto com fck = 30 MPa. Nas obras, devido ao pequeno número de corpos de prova ensaiados, calcula-se fck,est, valor estimado da resistência característica do concreto à compressão. Página 113 de 177 5. DOSAGEM DE CONCRETO PELO MÉTODO ABCP Apontamentos extraídos do livro: “Manual de dosagem e controle do concreto” – Paulo Helene/ Paulo Terzian – Ed. Pini, e Normas Brasileiras e site www.abcp.org.br 5.1 - Introdução Dosar um concreto consiste em determinar a proporção mais adequada e econômica, com que cada material entra na composição da mistura, objetivando as propriedades já identificadas para o concreto fresco e endurecido. Dosar é, portanto, procurar o traço que atende as condições específicas de um projeto, utilizando corretamente os materiais disponíveis. Traço é a maneira de exprimir a proporção dos componentes de uma mistura. Genericamente, um traço 1:m:x significa que para uma parte de aglomerante deve-se ter m partes de agregados, que pode ser somente miúdo, como no caso das argamassas, ou miúdo e graúdo, como nos concretos e x partes de água. O traço pode ser medido em peso ou em volume. Geralmente quando não está expressa de forma clara a unidade, supõe-se que esta medida seja em peso. Se o traço for em volume deve ser indicado. Frequentemente adota-se uma indicação mista: o cimento em peso e os agregados em volume. Exemplos de traços para concreto para 1 kg de cimento. 1:a:p onde: a = peso de agregado miúdo para 1 kg de cimento p = peso de agregado graúdo para 1 kg de cimento ou 1:a”:p” em volume onde: a” = volume de agregado miúdo p” = volume de agregado graúdo A dosagem pode ser não experimental ou experimental. Na dosagem não experimental o engenheiro baseia-se na sua experiência profissional ou em tabelas confeccionadas com base em outras obras realizadas. Na dosagem experimental o engenheiro baseia-se nas características dos materiais, nas solicitações mecânicas a que estará sujeito o concreto e nas implicações inerentes a cada obra. Assim sendo, é levado em conta as cargas Página 114 de 177 que vão atuar na estrutura, as dimensões da peça, os processos construtivos bem como as condições do meio em que vai ser implantada a construção. A NBR 6118/2007 - Projeto de estruturas de concreto - Procedimento, antiga NB 1, só permite a dosagem não experimental, para obras de pequeno vulto, às quais deverão respeitar as seguintes condições: • quantidade mínima de cimento por m³ de concreto de 300 kg; • proporção de agregado miúdo no volume total do agregado entre 30 a 50%, fixada de maneira a se obter um concreto de trabalhabilidade adequada ao seu emprego; e • quantidade de água no volume total de concreto entre 7 a 10%, mínima compatível com a trabalhabilidade necessária. Para o caso de grandes obras, a dosagem experimental é a única aceitável, isto porque, os materiais constituintes e o produto resultante são ensaiados em laboratórios. Uma dosagem experimental, de modo geral, é orientada pelo seguinte roteiro: • caracterização precisa dos materiais; • estudo das dimensões das peças a concretar; • cálculo da tensão de dosagem (resistência de dosagem); • determinação do fator água/cimento; • estabelecimento do traço inicial; e • estabelecimento do traço final. Existe, atualmente, um grande número de métodos de dosagem de concreto adotados no Brasil. Essa variedade, entretanto, não deve ser considerada contraditória, pois muitos deles consideram condições específicas de aplicação. 5.2 – DEFINIÇÕES DA NORMA NBR 6118 NECESSÁRIOS PARA DOSAGEM DE CONCRETO 5.2.1 - MODO DE PREPARO E DESVIO PADRÃO Todo produtor, ao oferecer uma certa quantidade de concreto, corre o risco de vê-la rejeitada, mesmo que esta esteja absolutamente de acordo com o especificado. Esse risco será tanto menor quanto mais acima da resistência exigida esteja a média ou o valor característico de sua produção. Página 115 de 177 Para efeitos de fixação da resistência média de dosagem, fcmj,d, ou seja, a resistência média com a qual se pretende assegurar o fckj especificado no projeto estrutural, A NBR 6118 recomenda as seguintes considerações: a) (Item 5.6.3.1 da norma) O Cálculo da resistência de dosagem do concreto depende, entre outras variáveis, das condições de preparo do concreto, definidas a seguir: - CONDIÇÃO A: (aplicável às classes C10 até C80). O cimento e os agregados são medidos em massa, a água de amassamento é medida em massa ou volume com dispositivo dosador e corrigida em função da umidade dos agregados; - CONDIÇÃO B: (aplicável às classes C10 a C25) O cimento é medido em massa, a água de amassamento é medida em volume mediante dispositivo dosador e os agregados medidos em massa combinada com volume, de acordo com o exposto em 5.4 da referida norma3. - aplicável às classes C10 até C20: o cimento é medido em massa, á água de amassamento é medida em volume mediante dispositivo dosador e os agregados medidos em volume. A umidade do agregado miúdo é determinada pelo menos três vezes durante o serviço do mesmo turno de concretagem. O volume de agregado miúdo é corrigido através da curva de inchamento estabelecida especificamente para o material utilizado. - CONDIÇÃO C: (aplicável apenas aos concretos de classe C10 e C15). O cimento é medido em massa, os agregados são medidos em volume, a água de amassamento é medida em volume e a sua quantidade é corrigida em função da estimativa da umidade dos agregados e da determinação da consistência do concreto, conforme disposto na ABNT NM 67 ou outro método normalizado. b) (Item 5.6.3.2 da norma) Concreto com desvio-padrão (sd) conhecido. 3 Item 5.4 da BNR 12.655:2006: A base de medida do concreto para o estabelecimento da sua composição, da sua requisição comercial ou fixação do seu volume é o metro cúbico de concreto no estado fresco adensado. A medida volumétrica dos agregados somente é permitida para os concretos preparados no próprio canteiro de obras, cumpridas as demais prescrições desta Norma. Os materiais para concreto de classe C25 e superiores, de acordo com a ABNT NBR 8953:2002 ( Concreto para fins estruturais – Classificação por grupos de resistência – Classificação), devem ser medidos em massa, ou em massa combinada com volume. Por massa combinada com volume, entende-se que o cimento seja sempre medido em massa e que o canteiro deva dispor de meios que permitam a confiável e prática conversão de massa para volume de agregados, levando em conta a umidade da areia. Sílica ativa e metacaulim (O Metacaulim é constituído basicamente por compostos à base de sílica (SiO2) e alumina (Al2O3) na fase amorfa, que combinam com o hidróxido de cálcio – Ca(OH)2 – presente na pasta de cimento. O Metacaulim HP se posiciona entre as partículas de cimento, preenchendo os vazios (ação de micro-filler) e reagindo quimicamente com o hidróxido de cálcio, ou seja, o efeito pozolânico. A sua vantagem é uma maior resistência mecânica, Considerando-se os mesmos consumos de aglomerantes, a resistência à compressão de um concreto pode aumentar em até 70% com o uso de Metacaulim HP associado a um aditivo superplastificante, sua resistência à tração pode ser acrescida em até 30% e conferindo maior resistência à abrasão.) devem ser sempre medidos em massa. Para concreto proporcionado em massa, deve ser atendido o disposto na NBR 7212:1984 – Execução de concreto dosado em central – Especificação, no que diz respeito aos equipamentos e à medida dos materiais. Página 116 de 177 Quando o concreto for elaborado com os mesmos materiais, meidante equipamentos similares e sob condições equivalentes, o valor numérico do desvio- padrão, sd, deve ser fixado com no mínimo 20 resultados consecutivos obtidos no intervalo de 30 dias, em período imediante anterior. Em nenhum caso o valor de sd adotado pode ser menor que 2 Mpa. c) Item 5.6.3.3 Concreto com desvio-padrão desconhecido No início da obra, ou em qualquer outra circustância em que não se conheça o valor do desvio-padrão sd, deve-se adotar o cálculo da resistência de dosagem o valor apresentado na tabel 6, de acordo com a condição de preparo, item 5.6.3.1, que deve ser mantida permanentemente durante a construção. 5.2.2 - DURABILIDADE E IMPERMEABILIDADE A durabilidade pode ser definida como sendo a capacidade que o concreto possui de resistir à ação do tempo, aos ataques químicos, à abrasão ou a qualquer outra ação de deterioração. A durabilidade depende, entretanto, do tipo de ataque, físico ou químico, que o concreto, depois de endurecido, será submetido, devendo ser analisado criteriosamente antes da escolha dos materiais e da dosagem. No que diz respeito a abrasão ou a erosão, a durabilidade está diretamente ligada a resistência do concreto. A impermeabilidade do concreto está relacionada com a durabilidade. Um concreto impermeável impede o acesso de agentes agressivos. Vários são os fatores que podem influir na durabilidade e na impermeabilidade dos concretos, entre eles: • porosidade da pasta - a impermeabilidade está diretamente relacionada com a porosidade da pasta. Quanto menos porosa mais impermeável será a pasta e, consequentemente, o concreto. A porosidade depende de dois fatores principais: da relação água/cimento e do grau de hidratação da pasta. Página 117 de 177 A relação água/cimento, neste caso, define a estrutura da pasta. Quanto menor essa relação, mais próximos uns dos outros, estarão os grãos de cimento e menor, portanto, será a porosidade da pasta. Como os produtos da hidratação ocupam um volume maior do que o cimento na pasta, a porosidade diminui à medida que a hidratação evolui. Pode-se concluir, dessa forma, que a impermeabilidade do concreto aumenta, também, com a redução da relação água/cimento e com a evolução da hidratação, ou seja, com a idade do concreto. • agressão química - principalmente de sulfatos, que reagindo com o hidróxido de cálcio livre e o aluminato de cálcio hidratado presentes no cimento, aumentam o volume dos sólidos causando expansão que, por sua vez, provocam fissuração, que poderão resultar na total deterioração da peça endurecida. Esses efeitos podem ser atenuados se a relação água/cimento não ultrapassar 0,40 para peças delgadas, com menos de 2,5 cm de recobrimento de armadura, e 0,45 para outras estruturas. No caso de se utilizar cimentos resistentes a sulfatos, o fator água/cimento deverá ser de 0,45 e 0,50, respectivamente, conforme recomenda o ACI - American Concrete Institute. 5.2.3 - AGRESSIVIDADE DO AMBIENTE (item 6.4 da NBR 6118:2003) 1 - A agressividade do meio ambiente está relacionada às ações físicas e químicas que atuam sobre as estruturas de concreto, independentemente das ações mecânicas, das variações volumétricas de origem térmica, da retração hidráulica e outras previstas no dimensionamento das estruturas de concreto. 2 - Nos projetos das estruturas correntes, a agressividade ambiental deve ser classificada de acordo com o apresentado na tabela 6.1 e pode ser avaliada, simplificadamente, segundo as condições de exposição da estrutura ou de suas partes. 3 - O responsável pelo projeto estrutural, de posse de dados relativos ao ambiente em que será construída a estrutura, pode considerar classificação mais agressiva que a estabelecida na tabela 6.1. Página 118 de 177 Página 119 de 177 CURVA DE ABRAMS DO CIMENTO 5.2.4 - CRITÉRIOS DE PROJETO QUE VISAM A DURABILIDADE (numeração de item conf. Norma) 7.1 - SIMBOLOGIA ESPECÍFICA DESTA SEÇÃO De forma a simplificar a compreensão e, portanto, a aplicação dos conceitos estabelecidos nesta seção, os símbolos mais utilizados, ou que poderiam gerar dúvidas, encontram-se a seguir definidos. A simbologia apresentada nesta seção segue a mesma orientação estabelecida na seção 4. Dessa forma, os símbolos subscritos têm o mesmo significado apresentado em 4.3. cmin - Cobrimento mínimo cnom - Cobrimento nominal (cobrimento mínimo acrescido da tolerância de execução) UR - Umidade relativa do ar Δc - Tolerância de execução para o cobrimento Página 120 de 177 7.2 DRENAGEM 7.2.1 Deve ser evitada a presença ou acumulação de água proveniente de chuva ou decorrente de água de limpeza e lavagem, sobre as superfícies das estruturas de concreto. 7.2.2 As superfícies expostas que necessitem ser horizontais, tais como coberturas, pátios, garagens, estacionamentos e outras, devem ser convenientemente drenadas, com disposição de ralos e condutores. 7.2.3 Todas as juntas de movimento ou de dilatação, em superfícies sujeitas à ação de água, devem ser convenientemente seladas, de forma a torná-las estanques à passagem (percolação) de água. 7.2.4 Todos os topos de platibandas e paredes devem ser protegidos por chapins. Todos os beirais devem ter pingadeiras e os encontros a diferentes níveis devem ser protegidos por rufos. 7.3 FORMAS ARQUITETÔNICAS E ESTRUTURAIS 7.3.1 Disposições arquitetônicas ou construtivas que possam reduzir a durabilidade da estrutura devem ser evitadas. 7.3.2 Deve ser previsto em projeto o acesso para inspeção e manutenção de partes da estrutura com vida útil inferior ao todo, tais como aparelhos de apoio, caixões, insertos, impermeabilizações e outros. 7.4 - QUALIDADES DO CONCRETO DE COBRIMENTO 7.4.1 Atendidas as demais condições estabelecidas nesta seção, a durabilidade das estruturas é altamente dependente das características do concreto e da espessura e qualidade do concreto do cobrimento da armadura. 7.4.2 Ensaios comprobatórios de desempenho da durabilidade da estrutura frente ao tipo e nível de agressividade previsto em projeto devem estabelecer os parâmetros mínimos a serem atendidos. Na falta destes e devido à existência de uma forte correspondência entre a relação água/cimento, a resistência à compressão do concreto e sua durabilidade, permite-se adotar os requisitos mínimos expressos na tabela 7.1. 7.4.3 Os requisitos das tabelas 7.1 e 7.2 são válidos para concretos executados com cimento Portland que atenda, conforme seu tipo e classe, às especificações das ABNT NBR 5732, ABNT NBR 5733, ABNT NBR 5735, ABNT NBR 5736, ABNT NBR 5737, ABNT NBR 11578, ABNT NBR 12989 ou ABNT NBR 13116, com consumos mínimos de cimento por metro cúbico de concreto de acordo com a ABNT NBR 12655. Página 121 de 177 7.4.4 Não é permitido o uso de aditivos contendo cloreto na sua composição em estruturas de concreto armado ou protendido. 7.4.5 A proteção das armaduras ativas externas deve ser garantida pela bainha, completada por graute, calda de cimento Portland sem adições, ou graxa especialmente formulada para esse fim. 7.4.6 Atenção especial deve ser dedicada à proteção contra a corrosão das ancoragens das armaduras ativas. 7.4.7 Para o cobrimento deve ser observado o prescrito em 7.4.7.1 a 7.4.7.7. 7.4.7.1 Para atender aos requisitos estabelecidos nesta Norma, o cobrimento mínimo da armadura é o menor valor que deve ser respeitado ao longo de todo o elemento considerado e que se constitui num critério de aceitação. 7.4.7.2 Para garantir o cobrimento mínimo (cmin) o projeto e a execução devem considerar o cobrimento nominal (cnom), que é o cobrimento mínimo acrescido da tolerância de execução (Δc). Assim, as dimensões das armaduras e os espaçadores devem respeitar os cobrimentos nominais, estabelecidos na tabela 7.2, para Δc = 10 mm. 7.4.7.3 Nas obras correntes o valor de Δc deve ser maior ou igual a 10 mm. 7.4.7.4 Quando houver um adequado controle de qualidade e rígidos limites de tolerância da variabilidade das medidas durante a execução pode ser adotado o valor Δc = 5 mm, mas a exigência de controle rigoroso deve ser explicitada nos desenhos de projeto. Permite-se, então, a redução dos cobrimentos nominais prescritos na tabela 7.2 em 5 mm. 7.4.7.5 Os cobrimentos nominais e mínimos estão sempre referidos à superfície da armadura externa, em geral à face externa do estribo. O cobrimento nominal de uma determinada barra deve sempre ser: 7.4.7.6 A dimensão máxima característica do agregado graúdo utilizado no concreto não pode superar em 20% a espessura nominal do cobrimento, ou seja: Lembrando que: Classificação de acordo com suas dimensões nominais: Página 122 de 177 - brita 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 4,8 - 9,5 mm - brita 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 9,5 - 19 mm - brita 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 19 - 25 mm - brita 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .... . . 25 - 50 mm - brita 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 50 - 76 mm - brita 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 - 100 mm 7.4.7.7 No caso de elementos estruturais pré-fabricados, os valores relativos ao cobrimento das armaduras (tabela 7.2) devem seguir o disposto na ABNT NBR 9062. 5.3 - MÉTODO DE DOSAGEM ABCP Este método de dosagem foi criado na década de 80 pela ABCP (Associação Brasileira de Cimento Portland) por meio de experimentos. A idéia é utilizar o método a fim de que se obtenha um traço-base, molde-se corpos de prova e, com os resultados dos ensaios, sejam feitos os devidos ajustes nas dosagens. O método exige o conhecimento das seguintes informações: - Tipo, massa específica e nível de resistência aos 28 dias do cimento (ex.: CP II 32 - 32MPa aos 28 dias); - Análise granulométrica e massa específica dos agregados; - Dimensão máxima característica do agregado graúdo; - Consistência desejada do concreto fresco; - Resistência de dosagem do concreto (fcj). 5.3.1 - Etapas do método: 1) Fixar a relação água/cimento (utilizando-se, para isso, o gráfico de resistência normal - requer o conhecimento do tipo de cimento utilizado e a resistência de dosagem requerida); Página 123 de 177 Página 124 de 177 2) Determinar o consumo aproximado de água do concreto, (Ca) utilizando os quadros abaixo, necessitando da dimensão máxima característica do agregado graúdo e da consistência desejada; Item 7.4.7.6 da Norma: A dimensão máxima característica do agregado graúdo utilizado no concreto não pode superar em 20% a espessura nominal do cobrimento, ou seja: Lembrando que: Classificação de acordo com suas dimensões nominais: - brita 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 4,8 - 9,5 mm - brita 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 9,5 - 19 mm - brita 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 19 - 25 mm - brita 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .... . . 25 - 50 mm - brita 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 50 - 76 mm - brita 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 - 100 mm Página 125 de 177 OBS: Para concreto bombeável o abatimento deve estar entre 70 a 100 mm, dependendo do comprimento da tubulação e altura de lançamento. 3) Determinar o consumo de cimento (Cc) O consumo de cimento (Cc) é a relação entre o consumo de água (Ca) e a relação água cimento: Cc = Ca / (a/c) (kg/m³) 4) Determinar o consumo de agregados graúdo (Cb) Depende do conhecimento da dimensão máxima característica do agregado graúdo e do módulo de finura do agregado miúdo. Página 126 de 177 O consumo é o produto entre o volume compactado (Vc - obtido pelo quadro acima), a massa unitária do agregado e a proporção do mesmo (quadro abaixo); 5) Consumo de agregado miúdo (Cm) Obtém-se o volume de agregado (Vm) por meio de fórmula: Vm = 1 – (Cc/Үc + Cb/Үb + Ca/Үa) Onde: Vm = volume da areia Cc = consumo de cimento Cb = consumo de brita Ca = consumo de água Página 127 de 177 Үc = massa específica do cimento Үb = massa específica da brita Үa = massa específica da água Cm = Үm x Vm Onde: Cm = Consumo de areia Үm = massa específica da areia Vm = Volume da areia 6) Apresentação do traço Obtém se o traço dividindo-se todas as massas obtidas pela massa de cimento. Cimento: areia: brita: a/c 7) Tabelas práticas Página 128 de 177 5.3.2 – Exercício prático de dosagem de concreto pelo método ABCP 1) DADOS DA DOSAGEM DO CONCRETO a) DADOS DO CIMENTO a.1 – cimento CP II E-32 a.2 – Ү = 3.100 kg/m³ b) AREIA b.1 – MF = 2,60 Inch. 30 % c/ 6 % de umidade b.2 – Ү = 2.650 kg/m³ δ= 1.470 kg/m³ (solta). C) BRITA c.1 – Ү = 2.700 kg/m³ δ = 1.500 kg/m³ (compactada) δ = 1.430 kg/m³ (b1 solta) δ = 1.400 kg/m³ (b2 solta) Dmax = 25 mm c.2 – PROPORÇÃO DAS BRITA B1 = 80 % B2 = 20 % D) CONCRETO d.1 – fck = 25,00 Mpa - Abatimento = 90 ± 10 mm - Na obra o cimento é medido em massa, a água de amassamento é medida em volume mediante dispositivo dosador e os agregados medidos em massa. Ambiente urbano. SOLUÇÃO – CÁLCULO DO TRAÇO 1ª Etapa – DETERMINAR RELAÇÃO A/C Pela tabela acima o Desvio padrão = 5,5 Mpa. Para o cálculo da resistência de dosagem: fcd = fck + 1,65 sd fcd = 25,0 + 1,65 x 5,5 fcd = 34,00 Mpa. Página 129 de 177 Portanto Fator A/C = 0,475 Página 130 de 177 Tendo encontrados os dois valores, considerar o menor valor. 0,475 < 0,60. Fator A/C = 0,475 2ª Etapa – DETERMINAR CONSUMO DOS MATERIAIS 2.1 – CONSUMO DE ÁGUA - Abatimento = 90 mm Dmáx do agregado = 25 mm 2.2 – CONSUMO DE CIMENTO Cc = Ca / (a/c) (kg/m³) massa da água = 200 l = 200 kg Cc = 200/0,475 = 421 kg/m³ 2.3 – CONSUMO DE AGREGADO GRÁUDO Depende do conhecimento da dimensão máxima característica do agregado graúdo e do módulo de finura do agregado miúdo. Dados do agregado miúdo (areia) = Módulo de Finura (MF) = 2,60 Dados do agregado graúdo = 25 mm Se não fosse dado o Módulo de Finura (MF) do agregado miúdo, utilizaria a tabela: Página 131 de 177 Como o exercício foi dado o MF do agregado utiliza-se a tabela: Esta tabela fornece o volume de Agregado graúdo por m³ de concreto. Temos que passar o volume deste agregado para massa. Vb = 0, 715 m³. Dado do exercício δbrita = 1.500 kg/m³ (compactada). Cb = Vb x δbrita Cb = 0,715 x 1.500 = 1.072 kg/m³. Como o exercício pediu uma composição de Brita nº 01 e Brita nº 2 teremos: Cb1 = 1.072 x 0,80 .... Cb1= 858 kg/ m³ Cb2 = 1.072 x 0,20 .... Cb2= 214 kg/ m³ 2.4 – CONSUMO DE AGREGADO MÍUDO Obtém-se o volume de agregado (Vm) por meio de fórmula: Vm = 1 – (Cc/Үc + Cb/Үb + Ca/Үa) Onde: Vm = volume da areia Cc = consumo de cimento Cb = consumo de brita Ca = consumo de água Үc = massa específica do cimento Үb = massa específica da brita Үa = massa específica da água C m = Үm x V m Onde: Página 132 de 177 Cm = Consumo de areia Үm = massa específica da areia Vm = Volume da areia Vm = 1- (421/3.100+ 1.072/2700 + 200/1000) Vm = 1 – (0,732) Vm = 0,268 m³. C m = Үm x V m Careia = 0,268 x 2.650 Careia = 710 kg/m³. 3ª Etapa – APRESENTAÇÃO DO TRAÇO Cim: areia> brita 1: brita 2: a/c 421: 710: 858: 214: 200 421/421: 710/421:858/421:214/421: 200/421 1: 1,686:2,038:0,508:0,475 5.3.3 - Inchamento e umidade da Areia A absorção de água de determinados agregados causa um aumento em seus volumes, denominado inchamento. Dependendo da umidade presente no agregado, podem-se obter diferentes massas para um mesmo volume de dosagem. Ao absorver umidade, em um primeiro momento, ocorre uma repulsão dos grãos devido à umidade superficial. Depois de saturada, os grãos da areia tornam a se aproximar, formando uma película de água. O agregado graúdo não tem inchamento, pois a água não é capaz de separar os grãos. No ensaio da determinação do coeficiente de Inchamento da areia, deve-se primeiramente, secar a amostra em estufa entre 105ºC e 110ºC até atingir massa constante e depois resfriá-la a temperatura ambiente em um encerado de lona. Adiciona-se água sucessivamente até obter 0,5%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 7%, 9% e 12% de teor de umidade. Coleta-se uma amostra úmida do agregado a cada Página 133 de 177 adição e homogeneização e a coloca em uma cápsula para a determinação e calculo do teor de umidade.(figura 08) Figura 08 - Inchamento da areia. Todas as três amostras possuem mesma massa de areia seca. O volume aparente úmido muda significadamente ao se acrescentar 3% e 6% de água. O coeficiente de inchamento é dado pela equação Onde, Vh = Volume do agregado úmido, em dm³; Vo = Volume do agregado seco em estufa, em dm³; = massa unitária do agregado seco em estufa, em Kg/dm³ = massa do agregado úmido, em Kg/dm³; h = teor de umidade do agregado, em %; 5.3.3.1 - Determinação da umidade crítica na Curva de Inchamento 1) Traçar a curva de Inchamento do agregado; 2) Traçar uma reta tangente à curva paralela ao eixo das umidades (h%); 3) Traçar a corda que une a origem de coordenadas ao ponto de tangencia da reta traçada; 4) Traçar nova tangente a curva paralela a esta nova corda; 5) A abscissa correspondente ao ponto de intersecção das duas tangentes é a umidade crítica; 6) A ordenada que corresponde ao ponto de intersecção das duas tangentes é o inchamento Crítico (I=Vh/Vo). (figura 09). Página 134 de 177 Figura 09 - Curva de Inchamento O Coeficiente de Inchamento é determinado pela média aritmética entre os coeficientes de inchamento máximo e crítico. 5.3.4 - VOLTANDO AO EXERCÍCIO A dosagem pode ser feita em volume, o cimento é medido em sacos inteiros e a água em recipientes graduados. Desta forma obtemos boa precisão nas medidas desses materiais. Para medir os agregados após a sua transformação em volumes correspondentes a um saco de cimento, o usual é providenciar padiolas. O volume da caixa deve corresponder ao volume do agregado. Considerando-se que as padiolas são transportadas por dois homens, não convém que a massa total ultrapasse 60 kg. Medidas usuais são largura = 35 cm e comprimento = 45 cm. (figura 10) Figura 10 – Medidas de uma padiola padrão Página 135 de 177 Materiais 1,0 m³ Unit (kg) 1 saco (kg) Volume (l) Areia Um. 6 % e Inc. 30 % Padiolas (cm) (1) (2) (3) (4) (5) Cimento 421 1 50 50 kg 50 kg 1 saco de cimento Areia 710 1,686 84 57 74 2 x (45 x 35 x 24) Brita 1 858 2,038 102 71 71 2 x (45 x 35 x 23) Brita 2 214 0,508 25 18 18 1 x (45 x 35 x 11) Água 200 0,475 24 24 19 19 litros - Memória de cálculo: - Cálculo da coluna (3), como o saco de cimento pesa 50 kg, multiplica-se a coluna (2) por 50 - Cálculo da Coluna (4) para a areia - Transformar os 84 kg de areia em medida de volume: 84 kg / 1470 kg/m³ = 0,057 m³ = 57 l - Cálculo da Coluna (4) para os agregados graúdos - Brita 1 e Brita 2... Idem areia: para a brita 1 = 102/1430 kg/m³ = 0,071 m³ = 71 l para a brita 2 = 25/1400 kg/m³ = 0,018 m³ = 18 l - Cálculo da Coluna (4) para a água = 1 litro de água pesa 1 kg, portanto 24 kg = 24 l - Cálculo da coluna (5) para a areia: mutiplica-se o Volume (coluna (4) pela porcentagem de inchamento: 57 l x 1,30 = 74 l - Para o agregado graúdo não há inchamento, portanto repete-se os valores - Como existe uma quantidade de água na areia (umidade) deve-se descontar este valor: Temos 84 kg de areia com umidade de 6%, portanto temos 5 kg ou 5 lts de água. - Inicialmente eram necessários 24 litros de água, subtraindo a % da umidade = 24 - 5 = 19 l - Para as padiolas de areia, brita 1 e brita 2, define-se uma altura para cada brita, lembrando-se que usualmente a padiola não deve ultrapassar 60 kg. (padiola + material). Página 136 de 177 6. ESTABILIDADE DIMENSIONAL. 6.1 - HISTÓRICO DO MÓDULO DE DEFORMAÇÃO Extraído de www.tqs.com.br, em 06/09/2010. Quando, em 1660, Robert Hooke4 escreveu a lei fundamental da elasticidade sob a forma de anagrama (letras agrupadas em ordem alfabética): Ut tensio sic vis, (tensio = extensão, deslocamento, vis = força) ele apenas afirmava que existia uma proporcionalidade entre deslocamentos e forças. Não existia, em sua época, o conceito de tensão, que somente surgiria 150 anos depois com Cauchy. Por causa da “falta de sintonia” de Hooke com Isaac Newton (1643- 1727) o assunto ficou esquecido na Inglaterra por mais de 100 anos. Somente em 1802, cerca de 75 anos após a morte de Newton (e 100 anos depois de Hooke) é que o físico inglês Thomas Young retomou os estudos de Hooke e avançou um pouco mais, chegando à noção de “módulo de elasticidade”. Entretanto, a conhecida falta de didática de Young tornou o assunto extremamente obscuro, a ponto de as maiores sumidades da época não conseguirem desvendar o que significava a definição: “O módulo de elasticidade de uma substância é uma coluna (seu comprimento (l) feita dessa mesma substância, capaz de produzir uma pressão (p) em sua base, que está para o peso (?) causador de um certo encurtamento por compressão (?), como o comprimento (l) da substância está para a diminuição (?) desse comprimento.” A interpretação física imediata dessa definição, com o conceito atual de tensão, é que o módulo de elasticidade corresponde à tensão que, aplicada à coluna, seria capaz de duplicar seu comprimento (no caso de tração) ou reduzir seu comprimento a zero (no caso de compressão). Young, porém, não disse isso, nem tinha condições de assim se pronunciar. 4 LOVE, A.E.H. - A treatise on the mathematical theory of elasticity, Dover Publications, New York, 1944. Página 137 de 177 Para Young o “módulo de elasticidade era um comprimento (que provavelmente teria sido imaginado como representativo do peso da coluna feita da mesma substância e com a mesma seção transversal da coluna estudada). O comprimento seria, na realidade, o volume para uma seção transversal de área unitária. Como era feita do mesmo material da coluna em estudo, seu peso específico multiplicado pelo comprimento e pela área unitária da seção transversal daria por resultado o peso por unidade de área causador da pressão (p) sobre a base da coluna. Portanto, o comprimento a que Young se referia era, na realidade, o produto do comprimento pelo peso específico. Esse produto é o mesmo módulo que conhecemos atualmente. Naquela data, Cauchy ainda não havia formulado o conceito de tensão e, portanto, se Young tivesse falado em “peso”, o conceito ficaria deturpado com um módulo de elasticidade que dependeria da seção transversal. Implicitamente, Young estaria raciocinando com seções transversais unitárias, mas sua falta de didática não permitiu que ele esclarecesse esse ponto. Somente os privilegiados poderiam perceber na época o alcance de suas palavras. Tanto é assim que Love, o maior teórico da elasticidade de todos os tempos, assim se pronunciou: “A introdução de um conceito físico definido associado com o coeficiente de elasticidade, como se descesse do céu claro diretamente sobre os leitores das memórias matemáticas, marca época na história da ciência”. Até hoje, os ingleses denominam o módulo de elasticidade de módulo de Young. 6.2 - INTRODUÇÃO Extraído do site www.portaldoconcreto.com.br , em 11 de setembro de 2010. Durante muito tempo os cálculos estruturais foram efetuados com base na resistência característica do concreto à compressão (fck), principal propriedade mecânica do concreto. A necessidade de se construir estruturas cada vez mais altas, esbeltas, duráveis e com maior rapidez, fez com que houvesse um desenvolvimento das técnicas de construção e dos materiais utilizados nas obras, mediante isto, tornou-se imprescindível também, uma revisão das normas brasileiras para a execução destas estruturas (NBR 6118/2003). Dentro destas revisões nota-se o objetivo claro de deixar o projeto estrutural mais próximo do comportamento real da estrutura, tornando necessário, portanto, um conhecimento profundo de outras características do concreto, como a deformação, a fluência, a retração e outros parâmetros que demonstrem a resposta do concreto ao estado limite de trabalho. No aspecto da deformação, podemos dizer que os materiais submetidos a esforços, podem apresentam um tipo de comportamento plástico, elástico ou até uma mistura dos dois (elasto-plástico). Página 138 de 177 A deformação elástica é aquela em que o material deformado retorna ao seu formato original, após a retirada da carga que o deformou, enquanto que na deformação plástica, não há retorno. No entanto, a maioria dos materiais passa por um comportamento elástico, antes de atingir uma deformação plástica (irreversível). O módulo de elasticidade do concreto é, portanto, um dos parâmetros utilizados nos cálculos estruturais, que relaciona a tensão aplicada à deformação instantânea obtida, conforme a NBR 8522 (Concreto - Determinação do Módulo de Deformação Estática e Diagrama Tensão x Deformação - Método de Ensaio). O módulo permite ter uma melhor noção do comportamento da estrutura com relação à desfôrma ou a outras características desejadas do concreto. 6.3 - TIPOS DE DEFORMAÇÃO E SUA IMPORTÂNCIA Extraído do livro “Concreto – Estrutura, propriedades e materiais” de P. Kumar Metha e Paulo J.M. Monteiro. Capítulo 4. As deformações no concreto, que frequentemente levam a fissuração, ocorrem como um resultado da resposta do material à carga externa e ao meio ambiente. Quando o concreto recém-endurecido (seja carregado ou sem carga) é exposto à temperatura e à umidade do ambiente, ele geralmente sofre contração térmica (deformação de contração associada ao resfriamento) e retração por secagem (deformação de retração associada com a perda de umidade). Qual das duas deformações de retração será dominante sob uma dada condição dependem, entre outros fatores, do tamanho da peça, características dos materiais constituintes do concreto e dosagem da mistura. Geralmente, em peças espessas a retração por secagem é um fator menos importante do que a contração térmica. Deve-se observar que os elementos estruturais de concreto endurecido estão sempre restringidos, normalmente por atrito na base, elementos nos extremos, armadura ou mesmo por deformações diferenciais entre o interior e o exterior do concreto. Quando a deformação por retração em um material elástico é totalmente restringida, ela resulta em tensão elástica de tração: a magnitude da tensão induzida s é determinada pelo produto da deformação ε e do módulo de deformação do material ( s=E.ε). O módulo de deformação do concreto também depende das características dos materiais constituintes do mesmo e dosagens da mistura, mas não necessariamente no mesmo grau ou da mesma maneira que as deformações por retração. Espera-se que o material fissure quando uma combinação do módulo de deformação e da deformação por retração induz um nível de tensão que atinge a sua resistência de tração (figura 11, curva a). Dada a baixa resistência à tração do concreto, isto acontece na prática, mas, felizmente, não exatamente conforme Página 139 de 177 previsto pelos valores calculados teoricamente para as tensões elásticas de tração induzidas. Figura 11 – Influência da retração e da fluência na fissuração do concreto OBS: Sob condições de restrição no concreto, a interação entre as tensões elásticas de tração induzidas pelas deformações de retração e o alívio de tensão devido ao comportamento viscoelástico está no âmago das deformações e fissuração da maioria das estruturas. Para compreender a razão pela qual um elemento de concreto pode não fissurar ou pode fissurar apenas após certo tempo de exposição ao ambiente, devemos considerar como o concreto respondera a tensões constantes ou deformações constantes. O fenômeno do aumento gradual na deformação ao longo do tempo, sob certo nível de tensão constante, é chamado de fluência. O fenômeno de diminuição de diminuição gradual da tensão ao longo do tempo, sob certo nível de deformação constante, é chamado de relaxação. Ambas as manifestações são típicas de materiais viscoelásticos. Quando um elemento de concreto é restringido, a viscoelastidade do concreto se manifestará através de um decréscimo progressivo da tensão ao longo do tempo (figura 11, curva b (gráfico acima)). Assim, sob as condições de restrição presentes no concreto, a interação entre as tensões elásticas de tração induzidas pelas deformações por retração e o alívio de tensão devido ao comportamento viscoelástico estão no âmago das deformações e fissuração na maioria das estruturas. 6.4 - COMPORTAMENTO ELÁSTICO Extraído do livro “Concreto – Estrutura, propriedades e materiais” de P. Kumar Metha e Paulo J.M. Monteiro. Capítulo 4. Página 140 de 177 As características elásticas de um material são uma medida de sua rigidez. Apesar do comportamento não linear do concreto, é necessária uma estimativa do módulo de deformação (a relação entre a tensão aplicada e a deformação instantânea dentro de um limite proporcional adotado) para determinar as tensões induzidas pelas deformações associadas aos afeitos ambientais. Ela também é necessária para calcular as tensões de projeto sob carga em elementos simples, e momentos e deformações em estruturas complicadas. 6.4.1 - NÃO LINEARIDADE DA RELAÇÃO TENSÃO-DEFORMAÇÃO. A partir de curvas típicas σ –ε para agregado, pasta endurecida e concreto carregado em compressão uniaxial (figura 12), torna-se imediatamente aparente que em relação ao agregado e à pasta de cimento, o concreto não é realmente um material elástico. Nem a deformação sob carga instantânea de um corpo de prova de concreto é, na verdade, diretamente proporcional à tensão aplicada, nem é esta totalmente recuperada após o descarregamento. A causa da não linearidade da relação tensão-deformação foi explicada a partir de estudos sobre o processo de micro-fissuração progressiva do concreto sob carga por pesquisadores, incluindo os da Cornell University5. A figura 33 é baseada no seu trabalho e uma revisão do tema por Glucklich 6. Do ponto de vista da relação entre o nível de tensão (expressa como percentagem da carga última) e a microfissuração no concreto, a figura 3 mostra quatro estágios do comportamento do concreto. Hoje em dia é bem conhecido que mesmo antes da aplicação de carga externa, já existem microfissuras na zona de transição ente a matriz e o agregado graúdo no concreto. O número e a abertura destas fissuras em uma peça de concreto dependeriam, entre outros fatores, das características de exsudação, resistência da zona de transição e da história de cura do concreto. 5 T.C Hsu, F. O. Slate, G.M. Sturman, and G. winter, Proceedings of a Conference on Struture of Concrete, Cement and Concrete Association, 1968. 6 J. Glucklich, Procceedings of a conference on the Struturre of Concrete, Cement and Concrete Association, 1968. Página 141 de 177 Figura 12 – Comportamentos típicos tensão-deformação de pasta de cimento, agregado e concreto. OBS: As propriedades de materiais compostos complexos não necessitam ser iguais à soma das propriedades de seus componentes. Assim, a pasta de cimento hidratada e os agregados apresentam propriedades elásticas lineares, ao passo que o concreto não apresenta. Figura 13 – Representação esquemática do comportamento tensão-deformação do concreto sob compressão simples Página 142 de 177 A evolução da microfissuração interna do concreto passa por vários estágios, que dependem do nível da tensão aplicada. Podemos notar na figura 13 acima que o concreto, constituído pelos mesmos materiais, apresenta um diagrama curvo desde o início do carregamento. Isto pode eventualmente explicar-se pelo fluxo de fluidos nos poros do concreto. Inicialmente é o agregado, mais rígido, que absorve quase todo o carregamento. À medida que o agregado se deforma, ele vai transferindo uma parte de seu carregamento para a pasta de cimento, que começa a se destacar do agregado. A deformação do concreto será sempre intermediária entre as deformações do agregado e da pasta. Sendo no início mais próximo da deformação do agregado, tendendo, depois, para a deformação da pasta. Sob condições normais de cura (quando um elemento de concreto é submetido a efeitos de secagem ou contração térmica), devido às diferenças nos seus módulos de deformação, deformações diferenciais surgirão entre a matriz e o agregado graúdo, causando fissuras na zona de transição. Abaixo de cerca de 30 por centro da carga última, as fissuras da zona de transição permanecem estáveis, portanto, a curva ε-s permanece linear (estágio 1 da figura 13). Acima de 30 por cento da carga última (estágio 2 da figura 13), na medida em que a tensão aumenta, as microfissuras da zona de transição começam a aumentar em comprimento, largura e número. Assim, na medida em que a tensão aumenta, a relação ε/s aumenta e a curva começa a se desviar sensivelmente de uma linha reta. Entretanto, até cerca de 50 por cento da tensão última, pode-se admitir que exista um sistema estável de microfissuras na zona de transição; ainda neste estágio, a fissuração da matriz é desprezível. De 50 a 60 por cento da carga última, começam a formar-se fissuras na matriz. Com aumento adicional da tensão até cerca de 75 por cento da carga última (estágio 3 da figura 13), não só o sistema de fissuras na zona de transição tornar-se-á instável, mas também a proliferação e propagação de fissuras na matriz aumentará, fazendo com que a curva ε/σ incline-se consideravelmente em direção à horizontal. De 75 a 80 por centro da carga última, a taxa de liberação de energia de deformação parece atingir o nível crítico necessário para o crescimento espontâneo das fissuras sob tensão constante e o material irá deformar até o colapso. Em resumo, acima de 75 por cento da carga última (estágio 4 da figura 13), com o aumento da tensão, desenvolvem-se deformações muito grandes, indicando que o sistema de fissuras está se tornando contínuo devido à rápida propagação de fissuras tanto na matriz como na zona de transição. Página 143 de 177 6.5 - TIPOS DE MÓDULOS DE DEFORMAÇÃO Extraído da Norma NBR 8522:2004 – Concreto – Determinação dos módulos estáticos de elasticidade e de deformação e da curva tensão-deformação O módulo de deformação estático N para um material sob tração ou compressão é dado pela declividade da curva ε-σ para concreto sob carregamento uniaxial. Uma vez que a curva para o concreto é não linear, três métodos para calcular o módulo são utilizados7. A NBR 8522 determina como se calcula dos seguintes módulos: Módulo de deformação secante (E cs): Propriedade do concreto cujo valor numérico é o coeficiente angular da reta secante ao diagrama tensão-deformação específica, passando pelos seus pontos A e B correspondentes (Figura 14), respectivamente, à tensão de 0,5 Mpa e à tensão considerada no ensaio. Módulo de elasticidade ou módulo de deformação tangente Inicial (E ci)8: Módulo de elasticidade ou módulo de deformação tangente à origem ou inicial, que é considerado equivalente ao módulo de deformação secante ou cordal entre 0,5 Mpa e 30% fc (tensão aplicada), para o carregamento estabelecido no método de ensaio que a NBR 8522 preconiza (figura 15). Figura 14 – Representação esquemática do módulo de deformação secante (Ecs) –NBR 8522 7 No Brasil, o módulo de deformação estático é determinado segundo a norma ABNT: Concreto – Determinação do Módulo de Deformação Estática e Diagrama de Tensão-Deformação – NBR 8522:2003. 8 O módulo de elasticidade pode ser considerado como um módulo de deformação, quando se trabalha com o material no regime elástico Página 144 de 177 Figura 5 – Representação esquemática do módulo de deformação tangente inicial (E ci) – NBR 8522 6.6 - DETERMINAÇÃO DOS MÓDULOS ESTÁTICOS DE ELASTICIDADE E DE DEFORMAÇÃO E DA CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO, SEGUNDO A NBR 8522:2003. a. - Documentos básicos a.1 – NBR 8522 b. - Equipamentos b.1 - Máquina de ensaio à compressão b.2 - Compressômetro b.3 - Cronômetro com precisão de 0,01s* b.4 - Capeador para corpos de prova cilíndricos de concreto. * Utilizado apenas para ajuste de velocidade. c. - Corpos de prova Corpos de prova moldados e colocados em condições de cura especificadas e testados na idade desejada. Os topos dos corpos de prova devem estar perpendiculares ao eixo e planos. d. - Determinação da resistência à compressão A resistência à compressão do concreto deve ser determinada em dois corpos-de-prova similares, preferivelmente do mesmo tamanho e forma dos que Página 145 de 177 serão utilizados para determinar o módulo de elasticidade, provenientes da mesma betonada, preparados e curados sob as mesmas condições e de acordo com o que estabelece a NBR 5738, devendo ser ensaiados à compressão de acordo com o que define a NBR 5739. A partir do valor médio da resistência à compressão obtida ou estimada, f c, determinam-se os níveis de carregamento a serem aplicados conforme a NBR 8522, item 7.3.2 e 7.2.3. Quando a determinação do módulo de elasticidade é realizada em testemunhos extraídos de estruturas de concreto, o ensaio de resistência à compressão deve ser realizado em testemunhos do mesmo elemento estrutural. e. – Escolha do plano de carga O plano de carga deve ser escolhido de acordo com a tabela 5. Fonte: NBR 8522:2004 e.1 - Item 7.3.2 da Norma: Determinação do módulo de elasticidade. Aplicação da carga e leitura das deformações Posicionado o corpo-de-prova, aplicar o carregamento e aumentar a deformação específica à velocidade de (10 ± 2)x10-6 s-1, em caso de prensa com controle de deformação, ou aumentar a tensão de forma regular à velocidade de (0,25 ± 0,05) MPa/s, até que seja alcançada uma tensão de aproximadamente 30% da resistência à compressão do concreto (σb). Este nível de tensão deve ser mantido por 60 s. Em seguida, reduzir a carga à mesma velocidade do processo de carregamento até o nível da tensão básica (σa). Devem ser realizados mais dois ciclos de pré-carga adicionais, obedecendo às mesmas velocidades de carga e descarga e mantendo as tensões extremas (σa e σb) constantes, alternadamente, durante períodos de 60 s cada. Depois do último ciclo de pré-carga e do período de 60 s sob a tensão σa, registrar as deformações específicas lidas, ea, tomadas em no máximo 30s. Página 146 de 177 Carregar novamente o corpo-de-prova com a tensão σb à velocidade especificada e registrar as deformações lidas, εb, tomadas em no máximo 30 s, após uma espera de 60 s, como mostra a figura 6. Quando todas as leituras de deformação tiverem sido efetuadas, aumentar a carga no corpo-de-prova à velocidade especificada até que se produza a ruptura. Se a resistência efetiva (fcef) à compressão do corpo-de-prova diferir de fc em mais de 20%, os resultados do corpo-de-prova devem ser descartados. Figura 6 – Representação esquemática do carregamento para determinação do módulo de elasticidade. NBR 8522:2004 Cálculo O módulo de elasticidade, Eci, em gigapascals, é dado pela fórmula: Os resultados devem ser arredondados para a primeira casa decimal e expressos em gigapascals. e.2 – Item 7.3.3 da Norma - Determinação dos módulos de deformação secantes e traçado do diagrama tensão-deformação. (Obs: numeração a seguir acompanha a sequência da norma). 7.3.3.1 Determinação do módulo de deformação secante a uma tensão indicada (σn) Página 147 de 177 7.3.3.1.1 Ensaio Uma vez ajustado o corpo-de-prova à máquina de ensaio (ver 7.3.1) e, se necessário, feita a compatibilização de deformação das bases de medida (anexo A), aplicar um carregamento crescente à velocidade especificada em 7.3.2, com pausas de 60 s nas tensões de 0,5 MPa e σn, para leitura das respectivas deformações em no máximo 30 s. Prosseguir o carregamento à velocidade especificada para obter a resistência efetiva (fcef). Essa resistência não deve diferir de fc em mais de 20% para o ensaio ser válido (ver figura 7). Figura 7 – Representação esquemática do carregamento para a determinação do módulo de elasticidade 7.3.3.1.2 Cálculo O módulo de deformação secante, εcs, a uma tensão indicada σn, em gigapascals, é dado pela fórmula: Os resultados devem ser arredondados para a primeira casa decimal, expressos em gigapascals. Página 148 de 177 O módulo de deformação secante a uma tensão indicada σn pode também ser obtido diretamente do diagrama tensão-deformação definido no item 7.3.3.2. da Norma. 7.3.3.2 Traçado do diagrama tensão-deformação 7.3.3.2.1 Ensaio Uma vez ajustado o corpo-de-prova à máquina de ensaio (ver 7.3.1) deve ser feita a compatibilização das bases de medida (anexo A da Norma 8522). Aplicar um carregamento crescente à velocidade especificada em 7.3.2, com pausas de 60 s nas tensões indicadas, para as leituras de deformação seguintes: As deformações devem ser lidas em no máximo 30 s após as pausas de 60 s, a cada etapa de carregamento, conforme a figura 7. Se a resistência efetiva (fcef) à compressão do corpo-de-prova diferir de fc em mais de 20%, esse resultado deve ser descartado. 7.3.3.2.2 Traçado do diagrama Traçar o diagrama tensão-deformação específica, representando os resultados médios das deformações medidas no eixo das abscissas e as tensões correspondentes no eixo das ordenadas. Página 149 de 177 Figura 8 - Representação esquemática do carregamento para o traçado do diagrama tensão- deformação e.3 - Item 8 da Norma - Relatório do ensaio O relatório do ensaio deve conter as informações definidas em 8.1 e 8.2. 8.1 Dados obrigatórios Devem constar obrigatoriamente no relatório do ensaio os seguintes dados: a) identificação do corpo-de-prova ou testemunho; b) data de preparação do concreto ou de obtenção do testemunho (se for o caso); c) condições de cura e armazenamento; d) idade do corpo-de-prova ou do testemunho no momento do ensaio, ou data do ensaio, caso a idade do testemunho não seja conhecida; e) condições do corpo-de-prova ou testemunho no momento de seu recebimento para ensaio e seu tratamento superficial; f) tipo e dimensões do corpo-de-prova ou testemunho; g) data do ensaio; h) tipo e número de instrumentos de medição utilizados; i) resistência à compressão de acordo com 7.1; j) resistência à compressão do corpo-de-prova ensaiado para determinar o módulo estático de elasticidade ou deformação; k) módulo estático de elasticidade ou deformação, conforme solicitado; l) observações consideradas de interesse (tipo de capeamento dos corpos-de- prova, presença de materiais estranhos, anomalias na ruptura, natureza dos agregados etc). 8.2 Dados opcionais Página 150 de 177 Opcionalmente podem constar no relatório do ensaio: a) características especificadas no projeto (fck, εci, εcs , idade etc.); b) localização na estrutura; c) informações quanto aos materiais componentes do concreto. e.4 - Item 8.2.8 DA NBR 6118:2003 - Módulo de elasticidade O módulo de elasticidade deve ser obtido segundo ensaio descrito na ABNT NBR 8522, sendo considerado nesta Norma o módulo de deformação tangente inicial cordal a 30% fc, ou outra tensão especificada projeto. Quando não forem feitos ensaios e não existirem dados mais precisos sobre o concreto usado na idade de 28 d pode-se estimar o valor do módulo de elasticidade usando a expressão: Quando for o caso este módulo de elasticidade deve ser especificado em projeto e controlado pela obra. 6.7 - COEFICIENTE DE POISSON Extraído do livro “Concreto – Estrutura, propriedades e materiais” de P. Kumar Metha e Paulo J.M. Monteiro. Capítulo 4. Para um material sujeito à carga axial simples, a razão entre a deformação lateral e a deformação axial dentro do intervalo elástico é chamada COEFICIENTE DE POISSON. O Coeficiente de Poisson geralmente não é necessário para a maioria dos cálculos em projeto de concreto. Entretanto, ele é necessário para a Página 151 de 177 análise estrutural de túneis, barragens em arco e outras estruturas estaticamente indeterminadas. 6.8 - FATORES QUE AFETAM O MÓDULO DE DEFORMAÇÃO Extraído do livro “Concreto – Estrutura, propriedades e materiais” de P. Kumar Metha e Paulo J.M. Monteiro. Capítulo 4. Em materiais homogêneos existe uma relação direta entre massa específica e módulo de deformação. Em materiais heterogêneos, multifásicos como o concreto, a fração volumétrica, a massa específica e o módulo de deformação dos principais constituintes e as características da zona de transição determinam o comportamento elástico do compósito. Uma vez que a massa específica é inversamente proporcional à porosidade, obviamente que os fatores que afetam a porosidade do agregado, da matriz da pasta de cimento e da zona de transição serão importantes. Para o concreto, a relação direta entre resistência e módulo de deformação provém do fato de que ambos são afetados pela porosidade das fases constituintes, embora não no mesmo grau. 6.8.1 - AGREGADO Entre as características do agregado graúdo que afetam o módulo de deformação do concreto, a porosidade parece ser a mais importante. Isto acontece porque a porosidade do agregado determina a sua rigidez, que por sua vez controla a capacidade do agregado em restringir deformações da matriz. Agregados densos têm um módulo de deformação alto em uma mistura de concreto, maior será o módulo de deformação do concreto. Uma vez que em concretos de baixa ou média resistência, a resistência do concreto não é afetada pela porosidade do agregado, isto mostra que todas as variáveis podem não controlar a resistência e o módulo de deformação da mesma forma. Outras propriedades do agregado também influenciam o módulo de deformação do concreto. Por exemplo, a dimensão máxima, a forma, a textura superficial, a granulometria e a composição mineralógica podem influenciar a microfissuração na zona de transição e assim afetar a forma da curva tensão- deformação. 6.8.2 - MATRIZ DA PASTA DE CIMENTO O módulo de deformação da matriz da pasta de cimento é determinado pela sua porosidade. Os fatores que controlam a porosidade da pasta de cimento, tais como relação água/cimento, conteúdo de ar, adições minerais e grau de hidratação do cimento, são listados na figura 9. Valores na faixa de 7 a 28 GPa para o módulo de deformação de pastas endurecidas de cimento Página 152 de 177 Portland com várias porosidades têm sido relatadas. Deve-se observar que estes valores são similares aos módulos de deformação para agregados leves. 6.8.3 - ZONA DE TRANSIÇÃO Em geral, espaços vazios, microfissuras e cristais orientados de hidróxido de cálcio são relativamente mais comuns na zona de transição do que na matriz da pasta de cimento; portanto, eles desempenham um papel muito importante na determinação das relações tensão-deformação no concreto. Os fatores que controlam a porosidade da zona de transição são listados na figura 16. INTERAÇÃO DOS FATORES QUE INFLUENCIAM A RESISTÊNCIA DO CONCRETO PARÂMETROS DA RESISTÊNCIA DAS PARÂMETROS DE AMOSTRA - CARREGAMENTO, dimensões, FASES tipo de tensão e geometria e estado velocidade de de umidade COMPONENTES aplicação de tensão POROSIDADE DA POROSIDADE DO POROSIDADE DA ZONA DE TRANSIÇÃO -( fator MATRIZ, fator A/C, aditivos minerais, A/C, Aditivos minerais), Características de grau de hidratação execução (distribuição granulométrica do (tempo de cura e temperatura e agregado e tamanho máximo e geometria), umidade) conteúdo de Grau de comapctação e hidratação, Interação ar, ar preso, ar incorporado. AGREGADO Química entre agregado e a pasta de cimento Figura 16 – Interação dos fatores que influenciam a resistência do concreto. Tem sido relatado que a resistência e o módulo de deformação do concreto não são influenciados no mesmo grau pelo tempo de cura. Com dosagens diferentes de concreto de várias resistências encontrou-se que, em idades mais avançadas (3 meses a 1 ano), o módulo de deformação aumentou a uma taxa mais alta do que a resistência à compressão. É possível que o efeito benéfico da melhoria na densidade da zona de transição, como um resultado da interação química lenta entre a pasta de cimento alcalina e o agregado seja mais pronunciada para a relação tensão- deformação do que para a resistência do concreto à compressão. (figura 17). Página 153 de 177 Figura 17: Fatores que afetam o módulo de deformação do concreto. 6.9 - DEFORMAÇÃO LENTA, VARIÁVEL CONCRETA - A FLUÊNCIA, FENÔMENO PRÓPRIO DO MATERIAL, PODE SER MINIMIZADA COM PROJETO E EXECUÇÃO ADEQUADOS. Por Simone Sayegh, Revista Téchne – www.revistatechne.com.br Diversos pesquisadores têm-se empenhado em conhecer as propriedades do concreto, dentre elas a fluência. Trata-se de uma propriedade comum a diversos materiais. O fenômeno caracteriza-se pelo aumento gradual da deformação do material quando sujeito a uma tensão constante ao longo do tempo. No caso do concreto, pode-se concluir que, exatamente por aliviar as concentrações de tensões, a fluência possibilita que o concreto seja utilizado como material estrutural. "Essa propriedade é extremamente importante e benéfica, sob esse ponto de vista", explica a engenheira Inês Bataggin, superintendente da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) e pesquisadora da ABCP (Associação Brasileira de Cimento Portland). Como o próprio nome sugere, a deformação lenta do concreto ocorre ao longo de muitos anos. Estudos realizados pelo ACI (American Concrete Institute) demonstram que as deformações em corpos-de-prova de concreto são verificadas mesmo após 30 anos. Esses registros sugerem a tendência assintótica a um valor constante de deformação, se não houver modificações no carregamento ao longo do tempo. "No entanto, como o incremento de deformação após algum tempo passa a ser muito pequeno, esse conhecimento serve apenas a pesquisas acadêmicas", conclui. Página 154 de 177 Justamente por aliviar concentrações de tensões, o concreto tem ótimas propriedades estruturais, mas as deformações devem ser previstas a longo prazo Algumas das causas básicas do fenômeno já foram determinadas, mas ainda há muitos pontos de relação a serem mensurados. De acordo com Inês, a perda da água intracristalina, sob pressão constante, parece ser uma das relações de grande importância na determinação do grau de fluência no concreto, o que pode sugerir que elevadas relações água/cimento sejam indesejáveis no que se refere ao controle do fenômeno. Assim como a fluência é sensivelmente influenciada pela disponibilidade de água do composto, diversas outras propriedades como módulo de elasticidade e resistência à compressão também geram variações nas deformações. A fluência é diretamente proporcional à relação água/cimento e inversamente proporcional aos valores de módulo de elasticidade e resistência à compressão. É importante que o concreto continue a apresentar ganhos de resistência após a aplicação de carga na estrutura, já que o peso próprio constitui um primeiro carregamento. Sabe-se ainda que a fluência diminui com o aumento das dimensões do elemento estrutural, portanto estruturas mais esbeltas requerem mais atenção. É importante ressaltar que a variação volumétrica resultante da reação exotérmica de hidratação do cimento não interfere na fluência. É um fenômeno de comportamento não-linear do concreto quando submetido a uma tensão que ultrapassa a fase elástica. Quando a retirada da carga atuante dá lugar à volta de uma parte da deformação, o material está na fase elástica, enquanto que a Página 155 de 177 parte correspondente à deformação além do limite elástico é irreversível. Do ponto de vista desse comportamento, o concreto é um material visco-elástico que tem sua deformação diferida ao longo do tempo. Além de decisões de projeto, na hora de executar a estrutura é indispensável considerar a maturidade do concreto no momento de aplicação das cargas e a magnitude desses carregamentos. Segundo experimentos, a fluência dos concretos carregados a baixas idades é maior do que a verificada em concretos carregados a idades maiores. "Esse comportamento é devido ao maior grau de hidratação dos concretos com maior idade, que apresentam estrutura interna mais compacta e menos água disponível", explica Inês. "Cerca de uma quarta parte da fluência ocorre nas duas primeiras semanas de carregamento", conclui. De acordo com o engenheiro José Zamarion, do Ibracon (Instituto Brasileiro do Concreto), a idade fictícia do concreto no instante de aplicação da carga, tempo zero e no instante considerado (tempo t), leva em conta o histórico de desenvolvimento da resistência do concreto. Zamarion ressalta que as condições para estimativa (cálculo) do coeficiente de fluência pressupõem uma tensão de 0,4 x tensão de ruptura por ocasião do carregamento e são válidas após a idade de três dias. O edifício Mandarim, em São Paulo, foi uma das primeiras estruturas monitoradas nas primeiras idades de carregamento 6.9.1 - CONTROLE DE PROJETO No Brasil, a NBR 6118 estabelece como deve ser realizado o projeto de estruturas de concreto. A versão publicada em 2003 prevê as análises globais e localizada das deformações, de maneira que a estrutura seja verificada como um todo e em partes, e estabelece limites de deformabilidade. A consideração da fluência no cálculo estrutural é obrigatória por essa norma e pode ser obtida por uma análise simplificada ou complexa. A norma técnica nacional correlaciona o Página 156 de 177 valor da fluência do concreto aos valores de módulo de elasticidade, dimensões do elemento estrutural, umidade e outros, em função do conhecimento já adquirido nas pesquisas realizadas. Apesar do conhecimento de importantes variáveis que determinam o fenômeno, a fluência ainda é uma propriedade difícil de ser medida empiricamente. A norma brasileira de ensaios, a NBR 8224, determina modelos de ensaios de longa duração, cerca de 400 dias, mas poucos laboratórios dispõem do equipamento necessário à sua execução. O tempo de duração do ensaio e seu alto custo tornam restritivo seu uso corrente, sendo pouco solicitado pelo meio técnico. "A não ser no caso da construção de barragens, onde essa propriedade é fundamental para o sucesso do empreendimento", explica Inês Battagin. No Brasil, assim como em grande parte dos países, a fluência ainda é determinada por estimativas teóricas a partir de dados mais facilmente obtidos. "Não apenas a previsão da fluência, mas muitas outras especificações e premissas exigidas em norma devem ser explicitadas nos documentos que acompanham o projeto estrutural", conclui. Para Zamarion, a deformabilidade da estrutura pode ser controlada com o uso de concretos com resistência e módulo de elasticidade corretos, e o seu lançamento pode ser realizado com a escolha adequada dos elementos enrijecedores. Para se obter uma maior trabalhabilidade do concreto, ou maiores valores de abatimento (Slump), podem ser utilizados aditivos plastificantes ou superplastificantes na mistura, no lugar do aumento da relação água/cimento. Esse é o procedimento usual para se obter concretos de elevada resistência à compressão e de fácil aplicação em estruturas com alta densidade de armadura (espaços reduzidos), pois um aumento na relação água/cimento fatalmente provoca uma expressiva queda na resistência. Os concretos atuais com abatimentos entre 16 e 20 cm, conseguidos com uso de superfluidificantes, e os chamados auto-adensáveis, com aditivos químicos, conferem resistência mais alta e módulo de elasticidade adequado, desde que o agregado graúdo apresente modo de elasticidade compatível. "Esses concretos devem apresentar boa coesão em estado plástico e dispensam o adensamento, além de superarem os concretos convencionais do ponto de vista da fluência", explica. Já concretos mais argamassados, como é o caso do bombeável, tendem a apresentar menores Página 157 de 177 valores de módulo de elasticidade do que os convencionais, e consequentemente maiores valores de fluência. Esse tipo de concreto, indicado para aplicação em locais de difícil acesso, deve ser utilizado com o conhecimento prévio de suas características físicas, obtidas por ensaio e consideradas em projeto. De acordo com o engenheiro Francisco Graziano, do escritório de engenharia Pasqua e Graziano, a indeterminação real da fluência, também condicionada a fatores de origem climática como umidade do ar e temperatura ambiente, requer dispositivos estruturais de compensação. Nos casos em que o conhecimento da deformação de uma viga é indispensável para garantir seu bom desempenho em serviço, como em vigas fletidas de grandes vãos, e existem dúvidas sobre a variabilidade da grandeza referente ao deslocamento, lança-se mão de alterações do sistema estrutural por meio do uso de sistemas protendidos. "A protensão forma uma contra curvatura mecânica que pode neutralizar o efeito deletério da fluência", explica. Página 158 de 177 Graziano também alerta para uma confusão comum entre engenheiros: considerar como fluência a deformabilidade de uma peça resultante de um estado de fissuração. "Esse fenômeno pode ser responsável pela amplificação de até duas vezes na deslocabilidade da peça, resultando em deslocamentos extremamente inesperados", explica. Isso se deve ao fato de a fissuração reduzir de forma dramática a rigidez da seção transversal da peça à quase metade da grandeza apresentada antes da ocorrência. A fissuração depende da qualidade do concreto utilizado, da quantidade de armadura da peça, da grandeza das cargas aplicadas, das condições de cura, da desenforma e reescoramento. Com as medições efetuadas, os projetistas do edifício Mandarim puderam determinar o melhor momento para execução das alvenarias internas sem o risco de ocorrência de patologias devidas a deformações. 6.9.2 - CONTROLE DA EXECUÇÃO Todos os especialistas concordam que para minimizar os efeitos da fluência as soluções construtivas devem contemplar o comportamento sistêmico do edifício, de maneira a prever o bom funcionamento conjunto dos componentes. "As mudanças nos sistemas executivos levaram ao aparecimento de problemas na interface estrutura-vedações e na deformação das estruturas, com deslocamentos além do esperado", explica Zamarion. Sistemas com comportamento similar são especialmente indicados para uso conjunto, como revestimentos de argamassa em alvenaria de blocos de concreto, onde se verifica não apenas a aderência física do revestimento (ranhuras e reentrâncias preenchidas), mas também a aderência química por similaridade do material. Além disso, as vedações devem ser capazes de absorver as deformações da estrutura sem gerar tensões internas. Com relação à estrutura, o cuidado com o concreto nas primeiras idades é determinante para sua vida útil. A manutenção da relação tensão-resistência Página 159 de 177 dentro de limites aceitáveis exige escoramento adequado e a não-colocação de materiais de construção sobre a estrutura recém-concretada, ou seja, o adiamento do início de execução das vedações. Em todos os casos, recomenda- se um plano de escoramento onde se considere, para cada etapa, o binômio "resistência à compressão-módulo de elasticidade" como base para a definição das escoras que devem permanecer em sua posição original até que possam ser removidas, sem prejuízo para o elemento estrutural e para o concreto. "Nesse sentido, encontra-se em desenvolvimento um projeto de norma que trata especificamente de fôrmas e escoramentos para estruturas de concreto, visando estabelecer com maior propriedade as exigências a respeito do tema", explica Inês. De acordo com a pesquisadora, os principais fatores que elevam as deformações por fluência no momento da execução estão relacionados ao processo de secagem do elemento estrutural, por falta de cura ou cura insuficiente. A cura, especialmente nas primeiras idades, propicia aumentos da resistência e do módulo de elasticidade do concreto. No entanto, contra isso pode pesar o aumento da temperatura, acentua a secagem, e a elevada relação tensão-resistência no instante de aplicação da carga, que acima de 0,4 produz microfissuras no concreto que aumentam significativamente a fluência. Apesar de normalizado há mais de duas décadas, o ensaio de módulo de elasticidade era pouco utilizado. Com a revisão da NBR 8522, em 2003, o ensaio ficou mais fácil e confiável (menor variabilidade de resultados), sendo aconselhável sua determinação antes do início da obra, para os materiais que se pretende utilizar, de maneira a assegurar os valores adotados em projeto. "O acompanhamento desse parâmetro no decorrer da obra é necessário apenas se houver troca de materiais, especialmente do agregado graúdo, ou expressiva modificação no traço do concreto", conclui. Página 160 de 177 O escoramento e o Com mais lajes reescoramento residual executadas em intervalos são etapas decisivas para curtos e o fato de as o controle das estruturas serem mais deformações, até que o delgadas provocaram há concreto atinja as alguns anos patologias em resistências desejadas e uma série de obras flexões admissíveis 6.10 - PROPRIEDADES TÉRMICAS DO CONCRETO Extraído do livro “Concreto – Estrutura, propriedades e materiais” de P. Kumar Metha e Paulo J.M. Monteiro. Capítulo 4. Em geral, os sólidos expandem no aquecimento e contraem no resfriamento. A deformação associada à mudança na temperatura dependerá do coeficiente de dilatação térmica do material e da magnitude da queda ou aumento de temperatura. Exceto quando sob condições climáticas extremas, as estruturas comuns de concreto sofrem pouco ou nenhum dano pelas mudanças na temperatura ambiente. Entretanto, em estruturas de grande porte, a combinação do calor produzido pela hidratação do cimento com as condições relativamente pobres de dissipação de calor resultam em um grande aumento na temperatura do concreto dentro de poucos dias após o lançamento. Subsequentemente, o resfriamento à temperatura ambiente frequentemente faz com que o concreto fissure. Uma vez que a principal preocupação no projeto e construção de estruturas de concreto massa é que a mesma, após concluída, permaneça monolítica, livre de fissuras, todo o esforço para controlar o aumento de temperatura é feito através da seleção de materiais adequados, dosagens, condições de cura e práticas de construção. Para materiais com baixa resistência à tração, como o concreto, a deformação de contração por resfriamento é mais importante do que a expansão devida ao calor gerado pela hidratação do cimento. Isto porque, dependendo do módulo de deformação, do grau de restrição e da relaxação da tensão devida à fluência, as tensões de tração resultantes podem ser grandes o suficiente para causar fissuração. O coeficiente de dilatação térmica (α)9 é definido como a variação na unidade de comprimento por grau de temperatura. 9 NBR 12.815: 1993 – Concreto endurecido – Determinação do coeficiente de dilatação térmica Linear. ABNT. Página 161 de 177 A seleção de um agregado com baixo coeficiente de dilatação térmica, quando economicamente viável e tecnologicamente aceitável, pode, sob certas condições, tornar-se um fator crítico para a prevenção de fissuras em concreto- massa. Isto se deve ao fato de que a deformação por contração térmica é determinada tanto pela magnitude da queda de temperatura quanto pelo coeficiente linear de dilatação térmica do concreto; este último, por sua vez, é controlado principalmente pelo coeficiente linear de dilatação térmica do agregado, que é o principal constituinte do concreto. Os valores relatados dos coeficientes lineares de dilatação térmica para pastas saturadas de cimento Portland com diferentes relações água/cimento, para argamassas de traço 1:6 (cimento/areia natural de sílica) e para misturas de concreto com diferentes tipos de agregado são aproximadamente 18, 12 e 6-12 x 10-6 °C-1, respectivamente. Página 162 de 177 7. DURABILIDADE E VIDA ÚTIL DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO “Durabilidade e Vida Útil das Estruturas de Concreto” por Paulo Helene, Jairo José de Oliveira Andrade, Marcelo Henrique Farias de Medeiros. (PhD Engenharia & Consultoria, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Universidade Federal do Paraná, respectivamente). Extraído de: http://www.usp.br/fau/cursos/graduacao/arq_urbanismo/disciplinas/aut0139/Textos_Tecnicos/Durabilidade_e_V ida_Util_das Estruturas.pdf , em 24/01/2014. 7.1 IMPORTÂNCIA DO TEMA Em função dos crescentes problemas de degradação precoce observados nas estruturas, das novas necessidades competitivas e das exigências de sustentabilidade no setor da Construção Civil, observa-se, nas últimas duas décadas, uma tendência mundial no sentido de privilegiar os aspectos de projeto voltados à durabilidade e à extensão da vida útil das estruturas de concreto armado e protendido (CLIFTON, 1993). Vários documentos internacionais como o CEB-FIP Model Code 90, fib Model Code 2010, fib (CEB-FIP) Model Code 2006 for Service Life Design, ACI 201.1R-08, ACI 365.1R 00, a norma européia EN-206, a ABNT NBR 12655:2006, artigos de especialistas no tema tais como Helene (1983), Andrade & Gonzalez (1988), Rostam (1993), e documentos clássicos como a norma CETESB L1 007, entre outras, nos últimos 20 anos, têm contribuído para introduzir e consolidar novos conceitos em defesa da durabilidade e do aumento da vida útil das estruturas de concreto. Segundo o fib Model Code for Service Life Design (2006), a questão da vida útil deve ser tratada sob, pelo menos, três aspectos: • Métodos de Introdução ou Verificação da Vida Útil no Projeto; • Procedimentos de Execução e Controle de Qualidade; • Procedimentos de Uso, Operação e Manutenção. Ainda, segundo o mesmo documento, para a introdução da durabilidade e seu controle no projeto e construção das estruturas de concreto, ou seja, para verificação da vida útil no projeto, há, pelo menos, quatro métodos ou estratégias, a saber: 1. Método probabilista completo (confiabilidade – ISO 2394:1998); Página 163 de 177 2. Método dos coeficientes parciais de segurança (semiprobabilista – ISSO 22111:2007 e ABNT NBR 8681:2003). 3. Método “por atributos” ou exigências prescritivas; 4. Método indireto de proteção da estrutura. Evidentemente essa visão é a que o meio técnico pode ter hoje como consequência da enorme evolução havida nos últimos anos nesse campo. No início das construções em concreto, no princípio do século XX e até a década de 80, comandava apenas o bom senso e a experiência do profissional, sendo a durabilidade claramente subjetiva, assegurada exclusivamente através de exigências prescritivas. O estudo da durabilidade das estruturas de concreto armado e protendido tem evoluído graças ao maior conhecimento dos mecanismos de transporte de líquidos e de gases agressivos nos meios porosos, como o concreto, que possibilitaram associar o tempo aos modelos matemáticos que expressam quantitativamente esses mecanismos. Consequentemente, passou a ser viável a avaliação da vida útil expressa em número de anos e não mais em critérios apenas qualitativos de adequação da estrutura a certo grau de exposição. O princípio básico, no entanto, não se alterou. Há necessidade, por um lado, de conhecer, avaliar e classificar o grau de agressividade do ambiente e, por outro, de conhecer o concreto e a geometria da estrutura, estabelecendo então a correspondência entre ambos, ou seja, entre a agressividade do meio versus a durabilidade da estrutura de concreto (HELENE, 1983). A resistência da estrutura de concreto à ação do meio ambiente e ao uso dependerá, no entanto, da resistência do concreto, da resistência da armadura, e da resistência da própria estrutura. Qualquer um que se deteriore, comprometerá a estrutura como um todo. Portanto, hoje é conveniente e indispensável uma separação nítida entre os ambientes preponderantemente agressivos à armadura dos ambientes preponderantemente agressivos ao concreto, assim como identificar projetos de arquitetura e detalhes estruturais que aumentem a “resistência” da estrutura ao meio ambiente. Pode-se afirmar que o conhecimento da durabilidade e dos métodos de previsão da vida útil das estruturas de concreto são fundamentais para: Página 164 de 177 • auxiliar na previsão do comportamento do concreto em longo prazo - o conceito de vida útil é introduzido no projeto estrutural de forma análoga ao de introdução da segurança; • prevenir manifestações patológicas precoces nas estruturas- esse conhecimento é fundamental para reduzir riscos de fissuras, corrosão, expansões e outros problemas nas estruturas; • contribuir para a economia, sustentabilidade e durabilidade das estruturas sempre lembrando que fazer uma boa engenharia significa manejar bem custos, técnica, recursos humanos e respeito ao meio ambiente. Vários trabalhos têm demonstrado a importância econômica da consideração da durabilidade a partir de pesquisas que demonstram os significativos gastos com manutenção e reparo de estruturas em países desenvolvidos (UEDA & TAKEWAKA, 2007), conforme apresentado no Quadro 1. 7.2 DEFINIÇÕES E TERMINOLOGIA Durabilidade é uma das necessidades do usuário tal como definido no conceito de desempenho formulado pela ISO 6241:1984 Performance standards in building: - Principles for their preparation and factors to be considered, e pela ASTM E 632, ainda no início da década de 80, o que demonstra que é um conceito incorporado há mais de 35 anos no âmbito das edificações, tardiamente incorporado às normas de estruturas de concreto no Brasil pela ABNT NBR 6118:2003. Segundo esse conceito, Durabilidade é o resultado da interação entre a estrutura de concreto, o ambiente e as condições de uso, de operação e de Página 165 de 177 manutenção. Portanto não é uma propriedade inerente ou intrínseca à estrutura, à armadura ou ao concreto. Uma mesma estrutura pode ter diferentes comportamentos, ou seja, diferentes funções de durabilidade no tempo, segundo suas diversas partes, até dependente da forma de utilizá-la. Para a ABNT NBR 6118:2007, item 5.1.2.3, Durabilidade “consiste na capacidade da estrutura resistir às influências ambientais previstas e definidas em conjunto pelo autor do projeto estrutural e o contratante, no início dos trabalhos de elaboração do projeto”. No item 6.1 prescreve que “as estruturas de concreto devem ser projetadas e construídas de modo que sob as condições ambientais previstas na época do projeto e quando utilizadas conforme preconizado em projeto, conservem sua segurança, estabilidade e aptidão em serviço durante o período correspondente à sua vida útil”. Segundo a ISO 13823:2008 entende-se por vida útil “o período efetivo de tempo durante o qual uma estrutura ou qualquer de seus componentes satisfazem os requisitos de desempenho do projeto, sem ações imprevistas de manutenção ou reparo”. Observe-se que essa definição engloba o conceito de desempenho formulado na década de 80 pela ISO 6241 já citada e que só recentemente, em 2010, foi introduzido na normalização brasileira através da ABNT NBR 15575:2010. Para a ABNT NBR 6118:2007 item 6.2, vida útil de projeto é o “período de tempo durante o qual se mantêm as características das estruturas de concreto, desde que atendidos os requisitos de uso e manutenção prescritos pelo projetista e pelo construtor, conforme itens 7.8 e 25.4, bem como de execução dos reparos necessários decorrentes de danos acidentais”. O item 7.8 da ABNT NBR 6118:2007 entende que o conjunto de projetos relativos a uma obra deve orientar-se sob uma estratégia explícita que facilite procedimentos de inspeção e manutenção preventiva da obra e que deve ser produzido um Manual de Manutenção da estrutura conforme item 25.4: dependendo do porte da construção e da agressividade do meio e de posse das informações dos projetos, dos materiais e produtos utilizados e da execução da obra, esse Manual deve ser produzido por profissional habilitado, devidamente contratado pelo Proprietário da obra. Esse Manual deve explicitar de forma clara e sucinta, os requisitos básicos para a utilização e a manutenção preventiva, necessárias para garantir a vida útil prevista para a estrutura conforme indicado na ABNT NBR 5674:1999. O item 3.4 da ABNT NBR 5674 define Manual de Operação, Uso e Manutenção como o documento que reúne apropriadamente todas as informações Página 166 de 177 necessárias para orientar essas atividades. Deve ser elaborado em conformidade com a ABNT NBR 14037:1998 Manual de operação, uso e manutenção das edificações. Conteúdo e recomendações para elaboração e apresentação. Resumindo pode-se afirmar que vida útil deve sempre ser analisada de um ponto de vista amplo que envolve o projeto, a execução, os materiais, o uso, operação e a manutenção sob um enfoque de desempenho, qualidade e sustentabilidade. Por outro lado, apesar das várias definições de vida útil, uma aplicação prática ainda esbarra em deficiências graves da normalização nacional atualmente em vigor. Como definido anteriormente, vida útil é um conceito quantitativo associado a um período de tempo, não definido nas normas brasileiras, salvo recentemente na ABNT NBR 15575:2010 que para edificações de até 5 andares, especifica 40 anos, mas que só entrará em vigor em 2012. A definição de vida útil também depende da explicitação dos requisitos de desempenho ou estados limites de utilização ou de serviço (ELS no Brasil e SLS no exterior) que não estão na ABNT NBR 6118:2007, pois esta se refere quantitativamente apenas a fissuras de flexão indicadas por wk e flechas máximas em vãos de vigas e lajes. Não há limites explícitos para fissuras de corrosão, expansões por reações álcali-agregados, lixiviação tipo eflorescências, fungos, manchas, despassivação, carbonatação, perfil de cloretos e outras formas de deterioração das estruturas de concreto. Portanto a aplicação prática dos conceitos de durabilidade e de vida útil (introduzidos há mais de 35 anos na construção civil) ainda fica sujeita ao subjetivismo de cada um dos intervenientes. No exterior há países mais adiantados, por exemplo, o ACI 365.1R-00, além de especificar o modelo (função matemática) de previsão da vida útil, define a vida útil de projeto como correspondente ao período de tempo em anos entre a data da estrutura concretada e a data da despassivação da armadura (por carbonatação ou por cloretos) somado de mais 6 anos (corresponde à letra A+mais 6 anos, da Figura 1). Também a BS 7543:2003 Guide to durability of buildings and building elements, products and components, há mais de 30 anos define claramente os períodos de vida útil para diversas obras, especificando mínimo de 60 anos para edifícios e 120 anos para pontes, estádios, barragens e metrôs. No Brasil há uma proposta de definição clara de vida útil de projeto desde o início da década de 90 (Helene, 1993), limitada aos fenômenos de corrosão das armaduras, que pode ser esquematizado conforme mostrado nas Figuras 1 e Página 167 de 177 2. Essa proposta foi realizada tomando por base o modelo proposto por Tuutti (1982) em sua tese de doutorado. Para os demais fenômenos de deterioração ainda não há propostas brasileiras nem internacionais. Em nível internacional o fib Model Code 2006 for Service Life Design considera apenas os fenômenos da corrosão das armaduras, aplicável no Brasil, e os mecanismos de danificação devidos ao gelo e desgelo, sem utilidade no Brasil. Já o fib Draft Model Code 2010 também apresenta modelos de vida útil para os fenômenos de ação de águas ácidas e lixiviação. Figura 1 – Evolução esquemática da deterioração de estruturas de concreto por corrosão de armaduras (HELENE,1986). Página 168 de 177 Figura 2 – Conceituação de vida útil das estruturas de concreto tomando por referência o fenômeno de corrosão de armaduras (HELENE, 1997). Interpretando a Figura 2, temos as definições especificadas a seguir: • Vida útil de projeto: Período de tempo que vai até a despassivação da armadura, normalmente denominado de período de iniciação. Corresponde ao período de tempo necessário para que a frente de carbonatação ou a frente de cloretos atinja a armadura. O fato da região carbonatada ou de certo nível de cloretos atingir a armadura e teoricamente despassivá-la, não significa que necessariamente a partir desse momento haverá corrosão importante, apesar de que em geral ela ocorre. Esse período de tempo, no entanto, é o período que deve ser adotado no projeto da estrutura, a favor da segurança; • Vida útil de serviço: Período de tempo que vai até o momento em que aparecem manchas na superfície do concreto, ou ocorrem fissuras no concreto de cobrimento, ou ainda Página 169 de 177 quando há o destacamento do concreto de cobrimento. É muito variável de um caso para outro, pois depende das exigências associadas ao uso da estrutura10. Enquanto em certas situações é inadmissível que uma estrutura de concreto apresente manchas de corrosão ou fissuras, em outros casos somente o início da queda de pedaços de concreto, colocando em risco a integridade de pessoas e bens, pode definir o momento a partir do qual se deve considerar terminada a vida útil de serviço; • Vida útil última ou total: Período de tempo que vai até a ruptura ou colapso parcial ou total da estrutura. Corresponde ao período de tempo no qual há uma redução significativa da seção resistente da armadura ou uma perda importante da aderência armadura / concreto, podendo acarretar o colapso parcial ou total da estrutura; • Vida útil residual: Corresponde ao período de tempo em que a estrutura ainda será capaz de desempenhar suas funções, contado nesse caso a partir de uma data qualquer, correspondente a uma vistoria. Essa vistoria e diagnóstico podem ser efetuados a qualquer instante da vida em uso da estrutura. O prazo final, nesse caso, tanto pode ser o limite de projeto, o limite das condições de serviço, quanto o limite de ruptura, dando origem a três possíveis vidas úteis residuais; uma mais curta, contada até a despassivação da armadura, outra até o aparecimento de manchas, fissuras ou destacamento do concreto e outra longa contada até a perda significativa da capacidade resistente do componente estrutural ou seu eventual colapso. Nos métodos de introdução da segurança no projeto das estruturas de concreto, há vários anos utilizam-se os seguintes termos e critérios de verificação da segurança e estabilidade estrutural: • estado limite último ou de ruptura (ELU ou ULS); • estado limite de utilização ou de serviço (ELS ou SLS). 10 O estado limite de utilização ou de serviço corresponde às condições “adequadas” de funcionamento da estrutura do ponto de vista de compatibilidade com outras partes da construção e do ponto de vista do conforto psicológico. Basicamente são cálculos simplificados de deformações máximas em peças fletidas por ação de cargas características (não majoradas) e de abertura máxima característica de fissuras (cujo valor em torno de 0,3 ou 0,4 mm corresponde ao limite de desconforto humano), assim como limitações de tensões de trabalho. Em outras palavras, corresponde exigir da estrutura uma rigidez e integridade mínimas que permita assentar paredes e pisos sem que estes fissurem por deformações exageradas da estrutura. Página 170 de 177 A questão da durabilidade, no entanto, nunca foi contemplada objetivamente nas normas, nem a questão da estética, nem a de conforto psicológico. Para essas exigências humanas, é necessário estabelecer novos requisitos e novos critérios de dimensionamento. Serão outros critérios para “estados limites” últimos ou de serviço, que devem ser estabelecidos a partir do conhecimento dos fenômenos e dos mecanismos de envelhecimento e de suas consequências. Esse “conhecimento” deve derivar, de preferência, da observação histórica de estruturas com problemas patológicos de uma determinada natureza, deve considerar o custo e os problemas de uma intervenção corretiva e deve adaptar- se aos mesmos princípios básicos que norteiam o projeto estrutural clássico. Em outras palavras devem ser estabelecidos de tal forma que tenham uma probabilidade muito pequena de serem atingidos durante o período de tempo considerado. Na definição da vida útil, o importante é construir uma sistemática abrangente que permita: • deixar bem claro o critério de julgamento; • fixar uma condição de alta probabilidade de sucesso, pois o “engenheiro” vai ter de passar a projetar e garantir aquilo que projetou e construiu e não poderá frustar-se frequentemente; • estimular a inspeção e a observação periódicas das estruturas com recálculos de vida residual e de vida útil efetivas e comprovação das hipóteses inicialmente adotadas na fase de projeto; • revalorizar o papel da técnica na decisão da durabilidade. Evitar manter a situação atual na qual a “perda da vida útil” se faz com base a observação visual, em que todos, inclusive e principalmente os “leigos”, percebem que a vida útil de uma estrutura terminou, pois esta se mostra visivelmente alterada, fissurada, manchada, deformada e até “desmanchando-se”. Reconhecer que o término da vida útil de projeto de uma estrutura não é um procedimento visual para qualquer um, mas deve ser um procedimento especializado empreendido por um engenheiro profissional através do uso de equipamentos, de técnicas e de critérios modernos. Uma evolução das ideias de definição da vida útil foi apresentada pela ISSO 13823:2008 através do conceito de estado limite de durabilidade (ELD). Tal Página 171 de 177 conceito refere-se aos valores mínimos aceitáveis para o desempenho, ou os máximos aceitáveis para a degradação, que uma estrutura deve apresentar para fins de estimativa da vida útil de projeto, que está associado a um critério de desempenho. Segundo a ISO 13823:2008, o valor do índice de confiabilidade (β), associado a um estado limite de durabilidade, encontra-se na faixa de 0,8 a 1,6, e deveria estar associado a uma probabilidade de falha de 5% a 20%. 6.3 CONCEITO SISTÊMICO DE DURABILIDADE E VIDA ÚTIL A questão da vida útil das estruturas de concreto deve ser enfocada de forma holística, sistêmica e abrangente, envolvendo equipes multidisciplinares. Deve também ser considerada como resultante de ações coordenadas e realizadas em todas as etapas do processo construtivo: concepção; planejamento; projeto; materiais e componentes; execução propriamente dita e principalmente durante a etapa de uso da estrutura. A palavra holística vem do grego holos e significa que o perfeito entendimento de um fenômeno ou processo não pode ser deduzido a partir da soma de cada uma das partes constituintes dos mesmos, e sim através de uma visão global, que leve em consideração a interação existente entre as partes que contribuem para o funcionamento do todo (ANDRADE, 1997). Isso ocorre porque é comum existir um efeito de sinergia entre as partes de um sistema. Por exemplo, uma estrutura de concreto armado submetida a uma ocorrência da reação álcali-agregado vai expandir-se e fissurar, abrindo caminho para o ingresso mais rápido de cloretos que irão causar corrosão de armaduras. Outro indicador de sinergia entre processos de degradação é o fato de que os principais agentes agressivos à armadura, o gás carbônico e o íon cloreto não são agressivos ao concreto, ou seja, não o atacam deleteriamente. Por outro lado, os agentes agressivos ao concreto como as chuvas ácidas podem danificar o concreto de cobrimento e facilitar a ação nefasta do gás carbônico e dos cloretos sobre as armaduras. Uma relação que aborda a interação que existe entre tais temas foi apresentada por Andrade et al. (2009) e complementada por Possan (2010), cuja representação esquemática da evolução dos conceitos relativos ao projeto estrutural está apresentada na Figura 3. Página 172 de 177 Figura 3 – Evolução conceitual do projeto das estruturas de concreto em que R=resistência; D=durabilidade; DES=desempenho; VU=vida útil; CCV=custos do ciclo de vida; SUS=sustentabilidade (POSSAN, 2010). No início do desenvolvimento e da difusão do concreto armado, nas primeiras décadas de 1900, as estruturas eram projetadas utilizando bom senso e experiência profissional, em que a principal característica controlada era a resistência média à compressão e que, durante muito tempo, foi tida como fonte única e segura das especificações de projeto. Com o passar dos anos se enfatizou a durabilidade dessas estruturas e dos seus materiais constituintes, aliando esse conceito ao desempenho das mesmas, ou seja, ao comportamento em uso. Ainda faltava inserir nos projetos a variável tempo, surgindo então os estudos de vida útil. Atualmente, fatores como competitividade, custos e preservação do meio ambiente estão novamente impondo mudanças na maneira de conceber-se estruturas, exigindo que essas sejam projetadas de forma holística, pensando no seu ciclo de vida e nos custos associados. Página 173 de 177 A partir dos conceitos e procedimentos de análise dos custos durante o ciclo de vida das estruturas, vários estudos podem ser conduzidos viabilizando o projeto para a sustentabilidade. Para estruturas de concreto armado que necessitam vida útil elevada, a redução da durabilidade provoca o aumento do consumo de matérias-primas, produção de poluentes, gastos energéticos e custos adicionais com reparos, renovação e manutenção das construções. Nestes casos, aumentar a vida útil, de maneira geral, mostra-se uma boa solução em longo prazo para a preservação de recursos naturais, redução de impactos, economia de energia e prolongamento do potencial de extração das reservas naturais. Para auxiliar o entendimento da visão holística da durabilidade, Barbudo & Castro- Borges (2001) propuseram um diagrama de fluxo, abrangente e sistêmico, que leva em conta as variáveis envolvidas. Existem níveis de desempenho mínimos aceitáveis e a estrutura vai perdendo sua capacidade inicial ao longo do tempo de utilização. Isso vem do fato incontestável de que nada é eterno e toda construção tem um tempo de vida útil que é finito. A Figura 4 ilustra essa questão e também destaca a necessidade de manutenção periódica. Figura 4 – Variação do desempenho de uma estrutura de concreto armado ao longo do tempo. Concluindo, pode-se dizer que existe uma relação íntima entre desempenho, qualidade, durabilidade, vida útil e sustentabilidade cuja discussão mais aprofundada pode ser encontrada no fib Draft Model Code 2010 e no capítulo 50 Página 174 de 177 deste livro. Focando na durabilidade, ser sustentável é projetar as estruturas com qualidade, resistência e vida útil compatível com as suas necessidades de utilização, respeitando o meio ambiente. Tomando por base a bibliografia e conceitos citados, fica claro que gerir o problema da durabilidade das estruturas de concreto implica em bem responder as questões gerais mencionadas a seguir: • Qual a definição de vida útil? • Quais são os mecanismos de envelhecimento das estruturas de concreto armado e protendido? • Como classificar o meio ambiente quanto à sua agressividade à armadura e ao concreto? • Como classificar o concreto quanto à sua resistência aos diferentes meios agressivos? • Qual a correspondência entre a agressividade do meio e a resistência à deterioração da estrutura de concreto? • Quais são os métodos de previsão da vida útil? • Quais devem ser os critérios de projeto arquitetônico e estrutural? • Como deve ser a dosagem e a produção do concreto? • Quais os procedimentos adequados de execução e controle da estrutura? • Quais os procedimentos, limitações e critérios para bem utilizar a estrutura? • Quais os procedimentos e critérios para bem exercer a vistoria, o monitoramento e a manutenção das estruturas? Como pode ser observado, há uma interdependência entre os fatores que influenciam na durabilidade de uma estrutura, podendo-se observar a existência de três grandes grupos: o primeiro referente ao processo de projeto, à produção e ao uso da estrutura; o segundo referente às características do concreto e um terceiro relativo à agressividade do ambiente. Página 175 de 177 6.4 MECANISMOS DE ENVELHECIMENTO E DETERIORAÇÃO Os mecanismos mais importantes e frequentes de envelhecimento e de deterioração das estruturas de concreto estão descritos nas ABNT NBR 6118:2007 e ABNT NBR 12655:2006 e listados a seguir. Mecanismos preponderantes de deterioração relativos ao concreto: • lixiviação (águas puras e ácidas); • expansão (sulfatos, magnésio); • expansão (reação álcali-agregado); • reações deletérias (superficiais tipo eflorescências). Mecanismos preponderantes de deterioração relativos à armadura: • corrosão devida à carbonatação; • corrosão por elevado teor de íon cloro (cloreto). Mecanismos de deterioração da estrutura propriamente dita: • ações mecânicas, movimentações de origem térmica, impactos, ações cíclicas (fadiga), deformação lenta (fluência), relaxação, e outros considerados em qualquer norma ou código regional, nacional ou internacional, mas que não fazem parte de uma análise de vida útil e durabilidade tradicional. No Quadro 2 está apresentada uma visão geral dos principais mecanismos físico-químicos de deterioração das estruturas de concreto armado e protendido, tratados em profundidade em outros capítulos deste livro. Com relação a ambientes industriais, a Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP, 1990) e a Portland Cement Association (PCA, 2007) disponibilizam tabelas que descrevem os efeitos de diversas substâncias sobre o concreto. De forma geral, ácidos orgânicos e minerais, óleos, substâncias fermentadas, esgoto industrial podem atacar o concreto. Numa estrutura de concreto armado e protendido, o aço é a parte mais sensível ao ataque do meio ambiente e por essa razão as armaduras devem ficar protegidas através de uma espessura de concreto de cobrimento. Essa “pele” de pasta, argamassa e concreto sobre o aço também possui características variáveis ao longo do tempo. Logo após a compactação e durante o período de cura, ela é altamente alcalina com pH de aproximadamente 12,6. A Página 176 de 177 partir da interrupção da cura, inicia-se o processo de envelhecimento que poderá culminar com a despassivação das armaduras. Observa-se que o cobrimento das armaduras tem uma importância fundamental no que se refere à vida útil das estruturas, assim como os procedimentos executivos têm consequências preponderantes na qualidade desta camada. Sendo assim, é imperativo que o cobrimento seja projetado e executado adequadamente, a fim de garantir o desempenho projetado para a estrutura. Quadro 2 – Principais mecanismos de deterioração das estruturas de concreto armado. Página 177 de 177
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