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MATERIAIS E TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM > Descrever o que são concretos especiais. > Identificar os tipos de concretos especiais. > Reconhecer as aplicações dos concretos especiais para cada projeto. Introdução O concreto se consagra como o material de construção mais utilizado no mundo. Na engenharia, o concreto é empregado na construção de edificações, pontes, viadutos, barragens e pavimentos. Com o desenvolvimento tecnológico da engenharia, tornou-se possível produzir concretos com desempenho superior ao convencional. Desse modo, a durabilidade das construções aumentou, o consumo de recursos naturais diminuiu e novas possibilidades construtivas surgiram. Neste capítulo, você vai conhecer o princípio envolvido na produção de concretos especiais. Além disso, vai verificar quais são os principais tipos desses concretos e suas aplicações mais comuns. Breve histórico dos concretos O concreto é um dos principais materiais de construção empregados na atualidade. No entanto, alguns tipos de concreto já eram utilizados durante o período do Império Romano. Nesse período, eram empregados solos com características aglomerantes para a execução, por exemplo, de pavimentos e aquedutos, como o da Ponte do Gard, construída em meados do século I a.C., na França (Figura 1). Concretos especiais Diego da Luz Adorna Figura 1. Ponte do Gard, aqueduto romano construído na França. Fonte: Sloopng/Pixabay.com. No entanto, o desenvolvimento tecnológico do concreto somente teve início após as pesquisas realizadas por Joseph Aspdin (1824), que resultaram na criação do cimento Portland (Allen; Iano, 2013). A partir disso, a produção e a aplicação de concretos cresceu em grande escala. Assim, obras de grande porte, como a Usina Hidrelétrica de Itaipu (inaugurada em 1984), tornaram-se possíveis (Figura 2). Figura 2. Usina Hidrelétrica de Itaipu. Fonte: Germaju/Pixabay.com. Concretos especiais2 Composição e propriedades O concreto consiste em um material composto, obtido a partir da mistura homogênea entre cimento, agregados e água. Os agregados empregados na produção de concretos usuais são a areia (agregado miúdo) e a pedra britada (agregado graúdo). O concreto, em seu estado fresco, apresenta grande capacidade de con- formação, permitindo a execução de elementos com as mais variadas formas. Além disso, em seu estado endurecido, o concreto apresenta alta resistência à compressão e estabilidade diante da ação da umidade (Neville; Brooks, 2013). As propriedades do concreto, tanto fresco quanto endurecido, podem ser aprimoradas por meio do emprego de materiais com características especí- ficas. Por exemplo, podem ser empregados agregados graúdos de formato arredondado, que facilitam a “movimentação” da massa de concreto fresco e aumentam a sua trabalhabilidade. Podem ser empregados, também, agre- gados de granulometria contínua, que garantem maior preenchimento dos poros, aumentando a resistência do concreto e a sua estabilidade diante da umidade (Bauer, 2008). O aprimoramento das propriedades do concreto pode ser feito, ainda, pela incorporação de aditivos químicos e/ou de adições minerais na massa. Os aditivos químicos são substâncias incorporadas à massa fresca de concreto, em proporção relativamente pequena, que promovem alterações em uma ou mais propriedades do material (Neville; Brooks, 2013). Os aditivos controladores de pega, por exemplo, podem retardar o processo de endurecimento do con- creto, permitindo que este seja transportado por distâncias maiores, desde a usina até o canteiro de obras. Os aditivos plastificantes, por sua vez, tornam o concreto mais trabalhável, facilitando o lançamento e o adensamento em elementos estruturais densamente armados, por exemplo (Allen; Iano, 2013). As adições minerais são materiais silicosos ou sílico-aluminosos, finamento moídos, incorporados à massa de concreto, normalmente em substituição parcial do teor de cimento (Mehta; Monteiro, 2014). De modo geral, elas bene- ficiam as reações químicas de hidratação do concreto fresco, melhorando o desempenho do concreto endurecido. Alguns exemplos de adições minerais são: escória de alto-forno, cinzas volantes, cinzas de casca de arroz e sílica ativa. Na Figura 3, é apresentada uma tabela extraída da Norma NBR 16697 (ABNT, 2018), que dispõe sobre os limites de adição mineral para cada tipo cimento. Concretos especiais 3 Figura 3. Limites de adição mineral nos cimentos, de acordo com a Norma NBR 16.697 (ABNT, 2018). Fonte: Adaptada de Norma NBR 16.697 (ABNT, 2018). Designação normalizada Cimento Porland comum CP I CP I-S 25, 32 ou 40 ARI RS ou BC 95–100 90–94 51–94 71–94 75–89 25–65 35–75 45–85 90–100 0 0 15–50 0 0 0 0 0 0 0 06–34 0–5 6–10 0–15 0–15 11–25 0–10 0–10 0–10 0–25 26–50 6–14 75–100 50–74 25, 32 ou 40 — — — — — — CP II-E CP II-Z CP II-F CP III CP IV CP Va CPB a Cimento Porland composto com escória granulada de alto-forno Cimento Porland composto com material pozolânico Cimento Porland composto com material carbonático Cimento Porland pozolânico Cimento Porland de alta resistência inicial Cimento Portland branco Estrutural Não estrutural Cimento Porland de alto forno Sigla Classe de resistência Sufixo Clínquer + sulfatos de cálcio Escória granulada de alto-forno Material pozolânico Material carbonático No caso de cimento Portland de alta resistência inicial resistente a sulfatos (CP V-ARI RS), podem ser adicionadas escórias granuladas de alto-forno ou materiais pozolânicos. Durabilidade e desempenho O trabalho do engenheiro projetista foi, durante muito tempo, conceber estruturas que atendessem a critérios mínimos de segurança e de serviço. Com a introdução de conceitos de sustentabilidade na engenharia, como eficiência energética, consumo consciente de matérias-primas e descarte adequado de resíduos, observou-se a necessidade de projetar estruturas duráveis, que necessitem de menos reparos e manutenções corretivas. Foi assim que surgiu o conceito de durabilidade na engenharia. Bolina et al. (2013) definem a durabilidade de um material como a sua capacidade de manter, ao longo da vida útil prevista em projeto, as condições de segurança e funcionalidade sob determinadas condições de exposição ambiental preestabelecidas em projeto. Por sua vez, Bertolini (2010, p. 21) destaca que “uma estrutura só pode ser considerada durável se sua vida útil real for pelo menos igual à vida útil prevista na fase de projeto”. Concretos especiais4 A produção de concreto gera impactos ambientais significativos, seja pela fabricação do cimento, responsável por emitir alto teor de gás carbônico no ambiente e consumir grande quantidade de matéria-prima e energia, seja pela extração e pelo tratamento dos agregados naturais. Pesquise por “Concreto sustentável: entenda quais são as alternativas para o material” no seu navegador de preferência para conferir uma reportagem sobre os impactos ambientais decorrentes da produção do concreto. Concretos especiais Os concretos especiais são aqueles submetidos a alterações em sua com- posição, seja pela incorporação de aditivos e adições minerais, seja pela alteração do traço dos componentes, com o objetivo de aprimorar uma ou mais propriedades. Os concretos especiais têm desempenho superior ao concreto convencional, como, por exemplo, maior resistência mecânica, me- lhor trabalhabilidade, menor porosidade, menor peso e maior durabilidade. Tipos de concretos especiais A seguir, serão apresentados os principais tipos de concretos especiais. Concreto de alto desempenho O concreto de alto desempenho (CAD) se caracteriza por apresentar resis- tência mecânica bastante superior à do concreto comum, podendo também ser denominado concreto de alta resistência (CAR). A alta resistência do CAD se deve à baixa relação água/cimento da mistura. Para isso, são empregados aditivos superplastificantes, que permitem a redução significativado consumo de água, sem, no entanto, acarretar perda de trabalhabilidade. Como a massa de concreto tem menos água disponível para as reações de hidratação, são incorporados materiais extremamente finos de grande reatividade, como a sílica ativa (Neville; Brooks, 2013). Os concretos de alto desempenho permitem a concepção de estruturas mais esbeltas ou com vãos maiores, sendo muito empregados na construção de pontes, viadutos, passarelas ou obras comerciais (Neville; Brooks, 2013). Concretos especiais 5 O concreto de pós reativos (CPR) é considerado uma evolução do concreto de alto desempenho (CAD), sendo classificado, inclusive, como concreto de ultra-alto desempenho (CUAD). Diferentemente do concreto tradicional, o CPR não tem incorporação de agregado graúdo, sendo constituído por agregado miúdo, sílica ativa, pós extremamente finos, aditivos superplas- tificantes e baixo teor de água. Concreto reforçado com fibras O concreto reforçado com fibras (CRF) é obtido a partir da incorporação de fibras metálicas, de vidro ou poliméricas na massa fresca do material, em proporções previamente definidas por estudos laboratoriais (Allen; Iano, 2013). Em comparação com o concreto convencional, o CRF apresenta maior resistência à tração e ao cisalhamento, permitindo a substituição total ou parcial das armaduras de aço dos elementos estruturais, o que reduz custos e aumenta a produtividade da obra (Neville; Brooks, 2013). As fibras são dispostas aleatoriamente ao longo de todo o maciço de concreto, garantindo melhor distribuição de tensões e, em consequência, reduzindo a abertura de fissuras de retração. Desse modo, o CRF confere maior durabilidade à construção, quando comparado com o concreto convencional. O CRF é indicado para obras que demandem alta resistência mecânica e controle na abertura de fissuras, como pavimentos, lajes de estacionamentos e revestimento de túneis. Além disso, ele é muito empregado na execução de reforços estruturais. Concreto compactado com rolo O concreto compactado com rolo (CCR) é uma técnica empregada na execução de pavimentos e barragens. A técnica consiste no espalhamento de camadas sucessivas de concreto simples de consistência seca, com posterior compac- tação por meio de rolo vibratório. A energia de compactação é responsável pelo adensamento das camadas. Neville e Brooks (2013) destacam que o CCR deve ser produzido com teor de umidade que mantenha a massa de concreto com abatimento zero, sem, contudo, prejudicar o desenvolvimento das reações de hidratação do cimento. Concretos especiais6 A consistência seca da mistura facilita o espalhamento e a compacta- ção da massa, visto que não demanda a execução de formas e contenções. Em pavimentos, por exemplo, a massa seca pode ser lançada, espalhada com motoniveladora e compactada com rolo vibratório. Concreto autoadensável O concreto autoadensável (CAA) é um material fluido, desenvolvido de modo a preencher formas densamente armadas (Neville; Brooks, 2013). O adensa- mento do CAA ocorre naturalmente pela atuação da força de gravidade, não necessitando de vibradores de adensamento. O CAA tem maior teor de agregados miúdos do que graúdos, bem como a incorporação de materiais finos, como sílica ativa e metacaulim, e adição de aditivos químicos modificadores de viscosidade e superplastificantes. Concreto com adição de polímeros Os polímeros são materiais formados a partir da cominação de moléculas individuais, chamadas de monômeros, por meio de uma reação denominada polimerização. Alguns exemplos de polímeros na construção civil são o policlo- reto de vinila (PVC), o poliestireno (PS), o polietileno (PE) e o polipropileno (PP). Neville e Brooks (2013, p. 395) definem os polímeros como “materiais qui- micamente inertes com resistências à tração e compressão mais altas que o concreto convencional [...], menor módulo de elasticidade e maior fluência”, podendo “ser degradados por agentes térmicos oxidantes”. Os polímeros são incorporados ao concreto com o objetivo de melhorar as propriedades físicas do material, permitindo a produção de concretos com alta resistência mecânica e menor porosidade. A incorporação de polímeros ao concreto pode ser realizada de di- ferentes maneiras. Os concretos com adição de polímeros podem ser classificados em: 1) concreto impregnado com polímero (CIP); 2) concreto polímero (CP); e 3) concreto de cimento Portland com polímero (CPCP). Concretos especiais 7 Concreto com agregados reciclados O concreto com agregados reciclados é um material produzido com substitui- ção parcial ou total dos agregados por resíduos de construção e demolição (RCD), normalmente resíduos de alvenaria ou de concreto. De acordo com Allen e Iano (2013), a produção do concreto convencional enseja em grande exploração de jazidas naturais de rochas, causando im- pactos ambientais significativos. Os concretos com agregados reciclados contribuem, portanto, para a redução do consumo de materiais naturais, além de consumirem resíduos que seriam descartados em aterros sanitários. O concreto com agregados reciclados é empregado em pavimentos ou na construção de elementos não estruturais, visto que o emprego do RCD como agregado não confere a mesma resistência mecânica que o concreto convencional (Neville; Brooks, 2013). Concreto protendido A protensão consiste na aplicação de forças de tração nas armaduras (cabos ou vergalhões) de elementos de concreto pré-moldado. Conforme Smith e Hashemi (2012), a aplicação da tensão de tração pode ser feita antes do lançamento do concreto no molde (pré-tensionamento) ou após o concreto lançado adquirir certa resistência mecânica (pós-tensionamento). Ambos os sistemas estão representados na Figura 4. Figura 4. Concreto protendido por (A) pré-tensionamento e (B) pós-tensionamento. Fonte: Adaptada de Smith e Hashemi (2012). Cabo no interior de uma tubagem Molde Viga Suporte ajustáveisCabo Ancoragem do cabo Ancoragem Viga Suporte B A Concretos especiais8 Após a liberação do tensionamento, as armaduras provocam tensões internas de compressão no concreto. Desse modo, “as tensões compressivas introduzidas pelos cabos ou vergalhões de aço têm de ser ultrapassadas para que o concreto fique sujeito a tensões de tração” (Smith; Hashemi, 2012, p. 471). A protensão resulta em concretos de maior resistência mecânica, permi- tindo a construção de elementos que suportem carregamentos superiores para uma mesma seção estrutural, ou, ainda, permitindo a redução da geometria dos elementos construtivos para um determinado patamar de resistência. Além disso, a protensão beneficia a durabilidade do concreto. Como a resistência à tração do material não é superada, não existe a abertura de fissuras por tração, como ocorre, com frequência, com o concreto convencional (Allen; Iano, 2013). Concretos leves Os concretos leves são materiais desenvolvidos com o objetivo de reduzir o peso próprio das estruturas, sendo mantido um determinado patamar de resistência. Desse modo, é possível projetar estruturas mais esbeltas e com fundações menos sobrecarregadas. Neville e Brooks (2013) citam três formas de se obter concretos leves, apresentadas a seguir. � Concreto com agregados leves: obtido a partir da substituição do agregado graúdo tradicional por agregados mais porosos, com massa específica menor que a pedra britada. � Concreto celular: obtido por meio da incorporação de bolhas de ar à mistura de concreto fresco. A incorporação de ar é feita por meio do uso de aditivos químicos específicos. � Concreto sem finos: produzido a partir da exclusão dos agregados finos da mistura, que resulta em um concreto com grande quantidade de vazios intersticiais, localizados nos pontos de encontro dos agregados graúdos. Aplicações práticas Cada obra de engenharia tem demandas específicas e características próprias. A utilização de concretos especiais deve ser analisada conforme as especifi- cidades da obra, a disponibilidadede recursos, os equipamentos, a mão de obra e o custo-benefício. A seguir, serão apresentadas algumas possibilidades de aplicações de concretos especiais em obras de engenharia. Concretos especiais 9 Estruturas usuais As estruturais usuais da construção civil são as edificações, sejam casas de um pavimento, sejam grandes edifícios comerciais. De modo geral, quanto maior for uma edificação, maiores serão os carregamentos atuantes. Obviamente, existem variações em função do tipo de uso, da concepção arquitetônica e estrutural e dos materiais empregados. Em construções de grande porte, a utilização de concretos convencionais pode resultar em estruturas muito robustas ou, ainda, em excesso de elemen- tos estruturais. Essa situação pode atentar contra a concepção arquitetônica, como, por exemplo, estruturas à mostra nos entornos de paredes e pilares locados no interior de ambientes. Em situações como a citada, pode-se fazer uso de concretos de alta re- sistência, como, por exemplo, o CAD e o CRF. O emprego desses materiais permite que elementos mais esbeltos absorvam o mesmo nível de carrega- mento que elementos mais robustos concebidos em concreto convencional. Em contrapartida, pode-se optar por manter as seções originais dos elementos concebidos em concreto convencional e aumentar o vão livre da estrutura, reduzindo a quantidade dos elementos estruturais (Allen; Iano, 2013). Tanto o CAD quanto o CRF têm menor porosidade e, em consequência, maior durabilidade, podendo ser empregados, também, em estruturas concebidas em ambientes agressivos, como em zonas litorâneas ou industriais, conferindo maior proteção à estrutura diante de um ataque por cloretos, por exemplo (Neville; Brooks, 2013). Por fim, cabe destacar que tanto o CAD quanto o CRF, em função de sua resistência e desempenho superiores, podem ser emprega- dos como reforço estrutural de elementos deteriorados parcial ou totalmente. Conforme Neville e Brooks (2013), o CAA, por sua vez, pode ser empregado durante a execução de edificações que tenham elementos estruturais densa- mente armados ou, ainda, elementos estruturais locados em pontos de difícil acesso, que não permitiriam a execução adequada do adensamento manual. Além disso, o CAA garante maior agilidade ao serviço, visto que dispensa o adensamento das estruturas. Pontes e viadutos As pontes são obras construídas com o objetivo de transpor rios e cursos d’água, ao passo que os viadutos têm por objetivo permitir a transposição de acidentes naturais, como depressões ou vias de trânsito. As pontes e os viadutos são projetados com o objetivo de vencer um determinado vão, de modo que necessitam ter uma certa altura (Pfeil, 1979). Concretos especiais10 De acordo com o comprimento do vão, tanto as pontes quanto os viadutos necessitam ter apoios (pilares) dispostos a intervalos regulares. Em certas situações, esses apoios podem coincidir com trechos de rios com profundidade excessiva, solo instável, depressões significativas ou uma via de trânsito. Assim, o uso de concretos de maior resistência, como o CAD, o CRF e o concreto protendido, permite a redução tanto das seções da estrutura, reduzindo o peso sobre os apoios, quanto o aumento do vão entre os apoios. Desse modo, o projetista pode alterar o projeto estrutural, de modo a reduzir a quantidade de apoios e adequar a sua localização. Além disso, como essas estruturas geralmente estão em contato com a água e expostas a grandes teores de CO2 (gás carbônico – p. ex., emitido pelos escapamentos dos veículos), o emprego do CAD, do CRF e do concreto proten- dido contribui para a sua proteção, aumentando a durabilidade das obras. Barragens Barragens são barreiras artificiais construídas com o objetivo de barrar o curso d’água de um rio ou os resíduos provenientes de processos de mine- ração, por exemplo. As barragens podem ser construídas com solo, rochas ou concreto. Dependendo do tipo de barragem, o concreto pode ser o único material empregado, ou pode ser empregado com o solo e com as rochas, seja como revestimento, seja como núcleo da barragem (Lopes, 2020). As barragens de concreto-massa, bem como as barragens que têm núcleo ou revestimento concreto, podem ser executadas, por exemplo, com CCR. O CCR é lançado em camadas sucessivas, espalhado com motoniveladora e compactado com rolo vibratório. De acordo com Lopes (2020), esse sistema confere agilidade e economia, em comparação com o sistema de construção com concreto convencional. Isso se justifica porque o período de lançamento entre camadas é mais curto. Além disso, podem ser programadas diversas frentes de trabalho, de acordo com a proporção da obra. As barragens de concreto armado, por sua vez, estão sujeitas a grandes esforços de tração e compressão. Nessas situações, busca-se empregar concretos de alta resistência, como o CAD, o CRF e o concreto com adição de polímeros, de forma a reduzir a quantidade de armaduras e aumentar a resistência do maciço de concreto. Concretos especiais 11 Pavimentos Os pavimentos podem ser definidos como uma ou mais camadas de mate- riais dispostos sobre um substrato, seja o solo, seja uma estrutura artificial. Eles têm por objetivo absorver as cargas provenientes do trânsito de veículos e de pessoas. Os pavimentos devem conferir, também, acabamento apropriado para garantir o trânsito com segurança e praticidade (Senço, 2007). Os pavimentos de concreto são muito empregados em vias de trânsito leve, como ciclovias e pistas de caminhada, e em vias que demandem resistência superior, como corredores de ônibus e acessos a pontos de carga e descarga de caminhões. No primeiro caso, o concreto não está submetido a grandes carregamentos, sendo empregado, muitas vezes, concreto simples. No segundo caso, em função dos grandes carregamentos, emprega-se o concreto armado. O CAA pode ser empregado em pavimentos de concreto, visto que dispensa serviços de adensamento manual. No entanto, ele demanda o gasto com formas, de modo a garantir que o concreto fresco não escoe pelas laterais do pavimento. Assim, ele é indicado somente para pavimentos menores, como acesso de pedestres. Em pavimentos de maior extensão, pode ser empregado o CCR. Cabe ressaltar que o CCR é composto de concreto simples, não havendo o uso de armaduras. Nesse caso, o pavimento é recomendado apenas para o tráfego de veículos mais leves. No entanto, o CCR pode ser empregado na execução de bases de pavimentos flexíveis. Nesse caso, após a execução da camada de base em CCR, é executa a camada de pavimentação asfáltica. Em vias de trânsito mais pesado, podem ser empregados o CAD, o CRF e o concreto com adição de polímeros, em função das suas propriedades mecâ- nicas superiores. Além de terem maior resistência mecânica aos esforços de tração, compressão e cisalhamento, esses concretos têm maior resistência mecânica à abrasão superficial; ou seja, resistem melhor aos esforços pro- vocadas pelas rodas dos veículos na superfície do pavimento, ocasionados pela força de aceleração e desaceleração dos veículos. Por fim, cabe destacar o uso de concreto com agregados reciclados na execução de pavimentos. Como essas obras demandam um grande volume de material e, em alguns casos, não demandam resistências tão significativas, o uso de agregados reciclados torna-se econômica e ambientalmente viável. O concreto com agregados reciclados também pode ser empregado como camada de base de pavimentos flexíveis. Concretos especiais12 Inovações na engenharia civil Novos materiais e técnicas construtivas estão sempre em desenvolvimento no âmbito da engenharia civil, especialmente devido à grande demanda por soluções que confiram durabilidade e bom desempenho às estruturas, causando o mínimo possível de impactos ambientais. Portanto, cabe aos engenheiros e arquitetos sempre pesquisar por novas informações sobre as inovações do mercado da construção. Referências ABNT. NBR 16697: Cimento Portland: requisitos. Riode Janeiro, 2018. ALLEN, E.; IANO, J. Fundamentos da engenharia de edificações: materiais e métodos. 5. ed. Porto Alegre: Bookman, 2013. BAUER, L. A. F. Materiais de construção. 5. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008. v. 1. BERTOLINI, L. Materiais de construção civil: patologia, reabilitação e prevenção. São Paulo: Oficina de Textos, 2010. BOLINA, F. et al. Revisão da durabilidade e vida útil das estruturas de concreto frente a mecanismos químicos de deterioração. In: CONGRESO LATINOAMERICANO DE PATOLOGIA DE LA CONSTRUCCIÓN Y XIV CONGRESO DE CONTROL DE CALIDAD EM LA CONSTRUCCIÓN CONPAT, 12., 2013, Colômbia. Anais [...]. Colômbia: CONPAT, 2013. LOPES, M. B. Tratamento de fundação de barragens de concreto. Curitiba: Appris, 2020. MEHTA, P. K.; MONTEIRO, P. J. M. Concreto: estrutura, propriedades e materiais. São Paulo: Pini, 2014. NEVILLE, A. M.; BROOKS, J. J. Tecnologia do concreto. 2. ed. Porto Alegre: Bookman, 2013. PFEIL, W. Pontes em concreto armado: elementos de projetos, solicitações, dimensio- namento. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 1979. SENÇO, W. Manual de técnica de pavimentação. 2. ed. São Paulo: Pini, 2007. SMITH, W. F; HASHEMI, J. Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais. 5. ed. Porto Alegre: AMGH, 2012. Leituras recomendadas BOLINA, F. L.; TUTIKIAN, B. F.; HELENE, P. R. L. Patologia de estruturas. São Paulo: Oficina de Textos, 2019. ISAIA, G. C. A evolução do concreto estrutural. In: ISAIA, G. C. (ed.). Concreto: ciência e tecnologia. São Paulo: Ibracon, 2011. v. 1. NEVILLE, A. M. Propriedades do concreto. 5. ed. Porto Alegre: Bookman, 2016. Concretos especiais 13