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UNIVERSIDADE DO VALE DO RIO DOS SINOS UNIDADE ACADÊMICA DE GRADUAÇÃO CURSO DE ENGENHARIA CIVIL TATIANE ISABEL HENTGES AVALIAÇÃO DA RELAÇÃO ENTRE RESISTIVIDADE ELÉTRICA E AS PROPRIEDADES DE CONCRETOS COM CINZA DE CASCA DE ARROZ E ADITIVO SUPERPLASTIFICANTE NO ESTADO FRESCO E ENDURECIDO São Leopoldo 2015 TATIANE ISABEL HENTGES AVALIAÇÃO DA RELAÇÃO ENTRE RESISTIVIDADE ELÉTRICA E AS PROPRIEDADES DE CONCRETOS COM CINZA DE CASCA DE ARROZ E ADITIVO SUPERPLASTIFICANTE NO ESTADO FRESCO E ENDURECIDO Trabalho de Conclusão apresentado à Unidade Acadêmica de Graduação em Engenharia Civil da Universidade do Vale do Rio dos Sinos - UNISINOS como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheira Civil. Orientador: Prof. Dr. Marlova Piva Kulakowski Banca examinadora: Prof. Dr. Cláudio S. Kazmierczak Prof. Dr. Mauricio Mancio São Leopoldo 2015 Dedico este trabalho aos meus pais, Ivo e Zenaide, irmã Aline e irmão Alencar. Família é base sólida na qual minha estrutura sempre pode se apoiar. AGRADECIMENTOS Primeiramente agradeço a Deus pela vida e pelas oportunidades que tive. Agradeço também aos meus pais, Ivo e Zenaide, as pessoas com quem terei sempre uma dívida de amor impagável. Aos meus irmãos Aline e Alencar, parceiros a vida inteira. Em especial ao meu irmão que dispôs de suas férias, seu tempo, suas forças, sua atenção seu suor para me ajudar nesta pesquisa. Alencar, sem você eu não teria conseguido fazer tudo o que está resumido neste trabalho. Ao Eduardo, pelo companheirismo durante o curso e paciência durante o TCC. Àquelas que estiveram praticamente todos os momentos do curso comigo, Bruna e a Laura, vivendo alegrias e nervosismos, dividindo trabalhos, panquecas e festas, e que acabaram se tornando melhores amigas. À minha querida orientadora Marlova, base e incentivo do meu potencial científico durante a graduação desde a iniciação científica. Aos colegas que fiz durante a faculdade e se tornaram pessoas especiais. Na iniciação científica a Jéssica, a Lucimar e o Vágner. No pensionato a Luci e a Mari. Durante o TCC a Josi e a Pati. Nos estágios e trabalho, Cristina, Renato, Cássio, Allana, Jader, Marcella, Marcia, Monique, Verônica. Na própria faculdade, a Luana e aNicolle. Vocês fizeram minha vida colorida mesmo morando longe da família. Aos laboratoristas do LMC: Ingrid, Maurício e Rodrigo que, muito além de excelentes profissionais, foram amigos em todos os momentos. Ao Carlos Eduardo Braun, por todo o auxílio na montagem dos equipamentos e execução dos ensaios de resistividade elétrica no estado fresco. Aos bolsistas que também me ajudaram na execução dos concretos. Ao laboratório de engenharia elétrica, pelo empréstimo dos equipamentos. Ao Laboratório de Caracterização e Valorização dos Materiais, pelas análises do cimento e da cinza de casca de arroz. À Britasinos, pela doação dos agregados, em especial à Angelica que foi quem conseguiu essa concessão. À FAPERGS e à CNPQ, pelo auxílio financeiro à pesquisa. A todos vocês, muito obrigada de coração! “Nunca se arrependa de nada que te faça sorrir” (anônimo). RESUMO Os métodos de controle de qualidade para aceitação do concreto em obra, estabelecidos em norma técnica, não são capazes de medir características que forneçam as informações necessárias para determinar e controlar a relação água/cimento (a/c) no recebimento de um lote. O parâmetro que irá definir a aceitação provisória do concreto, conforme a ABNT NBR 12.655:2006, é o abatimento de tronco de cone, que deve ter um valor pré-estabelecido em projeto. Este ensaio, ao determinar a consistência do concreto pode medir indiretamente variações no teor de água da mistura. No entanto, esta consistência não reflete a medida da relação água/cimento, nem tão pouco pode dar indicativos de resistência à compressão. Além disto, o emprego de aditivos pode alterar este parâmetro. A relação a/c é o fator que influencia mais significativamente na resistência e durabilidade do concreto. O objetivo deste trabalho é avaliar o emprego do método da resistividade elétrica para a determinação a relação água/aglomerante (a/agl) do concreto no estado fresco, analisando a influência da cinza de casca de arroz e do aditivo superplastificante nos resultados, e sua relação com a resistência à compressão. Para tanto, foi utilizada uma sonda que mede a resistividade elétrica dos concretos no estado fresco pelo método dos quatro pontos. Foram executados concretos com quatro relações a/agl (0,35, 0,45, 0,55 e 0,65), com e sem aditivo superplastificante, e com 0%, 10% e 20% de cinza de casca de arroz em substituição ao cimento. Foi analisada a relação da resistividade elétrica no estado freso com a relação água/cimento (ou água/aglomerante) e com os ensaios de resistência à compressão, abatimento de tronco de cone, absorção capilar e com a resistividade no estado endurecido. Os resultados mostram que a resistividade elétrica dos concretos no estado fresco sofre grande variação com a alteração das relações a/c e a/agl e é alterada significativamente pela presença do aditivo superplastificante e pela diminuição no teor de umidade, porém quase não sofre alterações com a presença de cinza de casca de arroz. Há uma forte relação da resistividade elétrica no estado fresco com a resistência à compressão e com a resistividade no estado endurecido, porém não há relação direta com o abatimento e com a absorção capilar. Por fim, foram elaboradas equações para determinação da relação a/c e a/agl a partir da resistividade e diagramas correlacionando resistência à compressão, relação a/c e resistividade dos concretos no estado fresco. Palavras-chave: resistividade elétrica; aditivo superplastificante; cinza de casca de arroz. LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Ação do aditivo nas moléculas de cimento e água .................................................. 17 Figura 2 – Mecanismo de repulsão (a) eletrostática de aditivo plastificante e (b) e (c) estérica para aditivo superplastificante .................................................................................................. 18 Figura 3 – Diagrama esquemático do efeito dos superplastificantes no concreto .................... 19 Figura 4 – Medida do abatimento ............................................................................................. 28 Figura 5 – Resistência de meteriais (a) condutores e (b) semicondutores................................ 32 Figura 6 – Determinação da resitividade de materiais pelo arranjo de Wenner ....................... 34 Figura 7 – Densidade de corrente em um espaço esférico ....................................................... 35 Figura 8 – Densidade de corrente em um espaço semiesférico ................................................ 36 Figura 9 – Campo elétrico semiesférico na superfície terrestre ...............................................36 Figura 10 – Resistividade ao longo do tempo de concretos no estado fresco .......................... 40 Figura 11 – Resistividade dos concretos estudados por Braun (2015) ..................................... 40 Figura 12 – Distribuição granulométrica da Cinza de casca de Arroz. .................................... 44 Figura 13 – Curva granulométrica do agregado graúdo ........................................................... 47 Figura 14 – Curva granulométrica do agregado miúdo ............................................................ 48 Figura 15 – Método de absorção por capilaridade ................................................................... 54 Figura 16 – Esquema da execução do ensaio ........................................................................... 55 Figura 17 – Ensaio de resistividade elétrica no estado endurecido .......................................... 56 Figura 18 – Esquema do circuito elétrico empregado no experimento .................................... 57 Figura 19 – Aparelhos utilizados nos ensaios de resistividade elétrica .................................... 57 Figura 20 – Ensaio de resistividade em andamento ................................................................. 58 Figura 21 – Equipamento utilizado nos ensaios de resistividade elétrica ................................ 59 Figura 22 – Corte esquemático do equipamento ...................................................................... 59 Figura 23 – Resistividade ao longo do tempo dos concretos estudados (0% CCA) ................ 62 Figura 24 – Resistividade ao longo do tempo dos concretos estudados (10% CCA) .............. 62 Figura 25 – Resistividade ao longo do tempo dos concretos estudados (20% CCA) .............. 63 Figura 26 – Relação entre resistividade no estado fresco e relação a/c dos concretos com 0% de CCA ..................................................................................................................................... 64 Figura 27 – Relação entre resistividade no estado fresco e relação a/agl dos concretos com 10% de CCA ............................................................................................................................. 64 Figura 28 – Relação entre resistividade no estado fresco e relação a/agl concretos com 20% de CCA .......................................................................................................................................... 64 Figura 29 – Efeito isolado do fator “AD” na resistividade elétrica no estado fresco ............... 66 Figura 30 – Efeito isolado do fator “CCA” na resistividade elétrica no estado fresco ............ 66 Figura 31 – Efeito isolado do fator “a/c” na resistividade elétrica no estado fresco ................ 67 Figura 32 – Efeito isolado do fator “Tempo” na resistividade elétrica no estado fresco ......... 69 Figura 33 – Interação entre os fatores “CCA”, “a/c” e “AD” na reistividade elétrica no estado fresco ........................................................................................................................................ 69 Figura 34 – Variação da resistividade elétrica e do abatimento de tronco de cone (0% CCA) 70 Figura 35 – Variação da resistividade elétrica e do abatimento de tronco de cone (10% CCA) .................................................................................................................................................. 71 Figura 36 – Variação da resistividade elétrica e do abatimento de tronco de cone (20% CCA) .................................................................................................................................................. 71 Figura 37 – Taxa de absorção capilar e resistividade dos concretos estudados no estado fresco .................................................................................................................................................. 72 Figura 38 – Relação entre resistência à compressão e resistividade elétrica no estado fresco de concretos com 0% de CCA ....................................................................................................... 76 Figura 39 – Relação entre resistência à compressão e resistividade elétrica no estado fresco de concretos com 10% de CCA ..................................................................................................... 76 Figura 40 – Relação entre resistência à compressão e resistividade elétrica no estado fresco de concretos com 20% de CCA ..................................................................................................... 77 Figura 41 – Evolução da resistividade dos concretos no estado endurecido ............................ 78 Figura 42 – Diagrama de correlação entre resistividade e resistência à compressão (0% CCA) .................................................................................................................................................. 83 Figura 43 – Diagrama de correlação entre resistividade e resistência à compressão (10% CCA) ......................................................................................................................................... 83 Figura 44 – Diagrama de correlação entre resistividade e resistência à compressão (20% CCA) ......................................................................................................................................... 84 LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Classes de abatimento no ensaio de tronco de cone ............................................... 29 Tabela 2 – Fatores de controle com níveis variáveis de estudo................................................ 42 Tabela 3 – Caracterização química e física do cimento CPII F-32 .......................................... 43 Tabela 4 – Caracterização química da cinza de casca de arroz ................................................ 45 Tabela 5 – Característcas do aditivo superplastificante ........................................................... 46 Tabela 6 – Caracterização física do agregado graúdo .............................................................. 46 Tabela 7 – Composição Granulométrica do agregado graúdo ................................................. 46 Tabela 8 – Caracterização física do agregado miúdo ............................................................... 47 Tabela 9 – Composição Granulométrica do agregado miúdo .................................................. 48 Tabela 10 – Traços unitários e consumo de materiais para concretos sem aditivo .................. 50 Tabela 11 – Traços unitários e consumo de materiais para concretos com aditivo .................. 50 Tabela 12 – Resultados da calibração da sonda ....................................................................... 61 Tabela 13 – Resistividades médias dos concretos (.m) ......................................................... 63 Tabela 14 – Análise de variância (ANOVA) para a resistividade elétrica no estado fresco .... 65 Tabela 15 – Análise de variância (ANOVA) dos fatores “Tempo” e “a/agl” para a resistividade elétrica no estado fresco ...................................................................................... 68 Tabela 16 – Porosidade efetiva dos concretos estudados ......................................................... 73 Tabela 17 – Resistência à compressão dos concretos estudados .............................................. 74 Tabela 18 – Análise de variância (ANOVA) para resistência à compressão ........................... 75 Tabela 19 – Comparação entre a relação a/c efetiva e a estimada (0% CCA sem aditivo) ...... 80 Tabela 20 – Comparação entre a relação a/agl efetiva e a estimada (10% CCA sem aditivo) . 80 Tabela 21 – Comparaçãoentre a relação a/agl efetiva e a estimada (20% CCA sem aditivo) . 80 Tabela 22 – Comparação entre a relação a/c efetiva e a estimada (0% CCA com aditivo) ..... 81 Tabela 23 – Comparação entre a relação a/agl efetiva e a estimada (10% CCA com aditivo) 81 Tabela 24 – Comparação entre a relação a/agl efetiva e a estimada (20% CCA com aditivo) 81 Tabela 25 – Equações de ajustes da curva de Abrams, 28dias ................................................. 82 LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS a/c Água/cimento a/agl Água/aglomerante ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ANOVA Analysis of Variance ASTM American Society for Testing and Materials E Campo Elétrico CCA Cinza de casca de arroz Cm Centímetros CP II – E Cimento Portland composto com escória CP II - F – 32 Cimento Portland composto com fíler CP II - Z Cimento Portland composto com pozolana CP III-RS Cimento Portland de alto forno CP IV Cimento Portland pozolânico CP V – ARI Cimento Portland de alta resistência inicial NaCl Cloreto de Sódio σ Condutividade i Corrente elétrica J Densidade de corrente EUA Estados Unidos da América Hz Hertz RILEM International union of laboratories and experts in construction materials, systems and structures ± Mais ou menos MAPA Ministério da cultura, pecuária e abastecimento mm Milímetros mS Microsiemens NBR Norma Brasileira de Regulamentação Ω Ohm kg Quilograma R Resistência elétrica Resistividade elétrica SEMAE Serviço Municipal de Agua e Esgotos (São Leopoldo/RS) H Teor de umidade (%) UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul Unisinos Universidade do Vale do Rio dos Sinos V Volts SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 12 1.1. JUSTIFICATIVA ............................................................................................................. 13 1.2. OBJETIVOS ..................................................................................................................... 15 1.2.1. Objetivo geral .............................................................................................................. 15 1.2.2. Objetivos específicos ................................................................................................... 15 1.3. ESTRUTURA DA PESQUISA ........................................................................................ 15 1.4. DELIMITAÇÕES DO TRABALHO................................................................................ 16 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 17 2.1. CONCRETO COM ADITIVO SUPERPLASTIFICANTE ............................................. 17 2.2. CONCRETOS COM CINZA DE CASCA DE ARROZ .................................................. 21 2.2.1. Cinza de casca de arroz .............................................................................................. 21 2.2.2. Concretos com cinza de casca de arroz no estado fresco ......................................... 23 2.2.3. Concretos com cinza de casca de arroz no estado endurecido ................................ 24 2.3. CONTROLE DO CONCRETO ........................................................................................ 25 2.3.1. Controle no estado endurecido................................................................................... 25 2.3.2. Controle no estado fresco ........................................................................................... 27 2.4. RESISTIVIDADE ELÉTRICA ........................................................................................ 30 2.4.1. Resistividade de materiais porosos e o uso na geofísica ........................................... 32 2.4.2. O princípio dos quatro pontos.................................................................................... 34 2.5. A RESISTIVIDADE ELÉTRICA NO CONCRETO ....................................................... 36 2.5.1. Estado endurecido ....................................................................................................... 36 2.5.2. Estado fresco ................................................................................................................ 38 3. PROGRAMA EXPERIMENTAL ............................................................................ 42 3.1. VARIÁVEIS DA PESQUISA .......................................................................................... 42 3.1.1. Fatores de controle com níveis variáveis ................................................................... 42 3.1.2. Fatores de controle com nível fixo ............................................................................. 42 3.1.3. Fatores não controlados .............................................................................................. 42 3.1.4. Variáveis de resposta .................................................................................................. 43 3.2. MATERIAIS ..................................................................................................................... 43 3.2.1. Cimento ........................................................................................................................ 43 3.2.2. Cinza de casca de arroz .............................................................................................. 44 3.2.3. Aditivo superplastificante ........................................................................................... 45 3.2.4. Agregado graúdo ......................................................................................................... 46 3.2.5. Agregado miúdo .......................................................................................................... 47 3.2.6. Relação água/cimento e água/aglomerante ............................................................... 48 3.3. PRODUÇÃO DOS CONCRETOS ................................................................................... 49 3.3.1. Determinação dos traços ............................................................................................. 49 3.3.2. Execução das misturas ................................................................................................ 51 3.3.3. Moldagem e cura dos corpos de prova ...................................................................... 51 3.4. MÉTODOS DE ENSAIO ................................................................................................. 52 3.4.1. Abatimento de tronco de cone .................................................................................... 52 3.4.2. Resistência à compressão axial .................................................................................. 53 3.4.3. Absorção de água por capilaridade ........................................................................... 53 3.4.4. Resistividade elétrica no estado endurecido ............................................................. 54 3.4.5. Resistividade elétrica no estado fresco ...................................................................... 56 3.4.6. Análise dos dados ........................................................................................................ 59 3.5. CALIBRAÇÃO DO EQUIPAMENTO E DETERMINAÇÃO DO FATOR GEOMÉTRICO K .................................................................................................................... 60 3.5.1. Fator geométrico (k) teórico ....................................................................................... 60 3.5.2. Fator geométrico (k) medido ...................................................................................... 60 4. APRESENTAÇÃO,ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ................ 62 4.1. RESISTIVIDADE ELÉTRICA DO CONCRETO NO ESTADO FRESCO ................... 62 4.2. ABATIMENTO DE TRONCO DE CONE ...................................................................... 70 4.3. TAXA DE ABSORÇÃO DE ÁGUA CAPILAR ............................................................. 72 4.4. RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO ................................................................................. 74 4.5. RESISTIVIDADE ELÉTRICA DO CONCRETO NO ESTADO ENDURECIDO ........ 78 4.6. ESTIMATIVA DA RELAÇÃO A/C E A/AGL A PARTIR DA RESISTIVIDADE ELÉTRICA ............................................................................................................................... 79 4.7. ESTIMATIVA DA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO A PARTIR DA RESISTIVIDADE ELÉTRICA ................................................................................................ 82 5. CONCLUSÃO ............................................................................................................. 85 5.1. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ............................................................ 87 REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 88 APÊNDICES ........................................................................................................................... 95 12 1. INTRODUÇÃO O controle de qualidade do concreto é importante em obras pelo fato de, quando bem conduzidas, prevenir uma possível mistura que não alcance a resistência determinada em projeto, e que possa acarretar na demolição de uma parte da estrutura da edificação, atrasando o tempo de construção e gerando aumento nos custos do empreendimento. Para que um lote de concreto seja aceito quando o caminhão betoneira chega à obra, é realizado o ensaio de abatimento de tronco de cone, o slump test, conforme especificado na NBR 12655 (ABNT, 2006). Neste ensaio, obtém-se uma medida da consistência do concreto, medida esta que deve ter sido pré-determinada pelo projetista estrutural. Porém, a consistência não é um fator que corresponde à resistência final do concreto, como pode ser visto no trabalho de Mascolo (2012) que, ao relacionar valores obtidos no ensaio de tronco de cone com os valores da resistência à compressão de diferentes traços de concreto, demonstra que não há uma relação direta de um ensaio com outro. A adição de aditivos, como o superplastificante, é um dos fatores que pode alterar a consistência do concreto sem interferir em sua resistência final. O ensaio de abatimento também pode obter resultados diferentes conforme a habilidade daquele que o executa. Já a resistência final à compressão do concreto pode variar por vários fatores como: tipo de concreto, tipo de cura, traço da mistura, teor de agregados, adições e aditivos, grau de adensamento, relação água/cimento (a/c). E estes últimos não podem ser medidos pelo ensaio de abatimento e mesmo assim este é universalmente aceito devido à facilidade de execução (NEVILLE; BROOKS, 2013). A NBR 7212 (ABNT, 2012) normatiza os prazos de entrega de concretos executados em centrais dosadoras. Porém, com os problemas de trânsito e logística atuais, é normal que o transporte demore mais do que o estipulado, sendo necessária e recorrente a utilização de aditivos para correção do abatimento da mistura, e também para que não sejam alterados fatores como a relação a/c. Esta prática não diminui significativamente a resistência do concreto e evita que vários metros cúbicos da mistura sejam descartados, processo que se torna cada vez mais difícil tanto pelo volume quanto pela impacto ambientar (POLESELLO et al, 2013). Por sua vez, para obter melhorias técnicas no concreto e redução de custos, adições minerais são adicionadas à mistura. A cinza de casca de arroz, uma pozolana que é originada na geração de energia, vem sendo estudada por diversos autores com o objetivo de reduzir o impacto ambiental causado pelo resíduo da produção do arroz e melhorar o desempenho do 13 concreto. Segundo o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (2014), das 12,3 milhões de toneladas de arroz colhidas no Brasil em 2014, 68% foram produzidas no Rio Grande do Sul. Em média, 20% do volume de casca resultam em cinza com grandes teores de sílica amorfa, o que possibilita sua utilização no concreto como pozolana. Conforme Mehta e Monteiro (2008), a relação a/c apresenta forte influência na resistência à compressão do concreto endurecido, sendo esta inversamente proporcional à sua porosidade, ou seja, quanto maior a relação a/c do concreto, maior o número de vazios que este apresenta e menor sua resistência mecânica. A adição ou substituição de alguns materiais, como agregados miúdos e graúdos, pozolanas, escórias de alto forno, na mistura do concreto também mostra grande relevância em seu comportamento final, porém o teor de água é o fator de influência mais significativa. Com base nisto, diversas pesquisas já foram realizadas com vistas à determinação da relação a/c do concreto ainda no estado fresco. Com essa informação, poderia se evitar a aceitação de concretos que não venham a alcançar a resistência projetada, bem como a recusa de lotes que apenas não apresentaram a consistência desejada. Dentre os diversos métodos testados, um dos mais atuais é o da resistividade elétrica (MANCIO et al., 2010), no qual a resistência final do concreto pode ser estimada ainda no recebimento deste em obra com a inserção de uma sonda na mistura, a qual determinará a resistividade elétrica do concreto em questão. Alguns poucos trabalhos já foram realizados com o método: em concretos produzidos com cimentos americanos e com adição de cinza volante (MANCIO et al., 2010); em concretos com cimentos brasileiros CP IV–32 e CP V–ARI (GASPARI, 2013); e, mais recentemente, com concretos com os cimentos CP II-E-32, CP II-E-40; CP II-F-32, CP II-Z- 32, CP III-40, CP IV-32 e CP V-ARI (BRAUN, 2015). Porém ainda não existem trabalhos que investiguem a influência de aditivos superplastificantes na resistitividade elétrica, nem da cinza de casca de arroz. Nesta lacuna foi proposto o presente trabalho. 1.1. JUSTIFICATIVA A eficiência do controle de qualidade do concreto se torna mais essencial à medida que o empreendimento vai encarecendo e a resistência do concreto se tornando mais solicitada. O treinamento de pessoal para a execução do ensaio de abatimento é imprescindível tendo em vista que os resultados deste ensaio são facilmente influenciados pela destreza e habilidade de quem o executa. Tais investimentos com o controle tecnológico 14 se tornam altamente rentáveis à medida que diminuem os custos decorrentes do desperdício de material seja antes ou após a concretagem. A utilização de pozolanas no concreto, como a cinza de casca de arroz é uma alternativa para a redução de resíduos no meio ambiente que traz benefícios ao concreto. Aditivos como os superplastificantes são, também, formas de melhorar propriedades do concreto sem ser necessário grande aumento nos custos. Em função disso, esses materiais vêm sendo empregados em concretos e necessitam de estudos. Outro ponto importante a ser observado, colocado por Pacheco e Helene (2013), é que o Brasil possui um dos mais rígidos controles de qualidade do concreto. Constantemente surgem no mercado da construção civil materiais e equipamentos com melhorias e inovações que permitem aumentar a confiança nos ensaios, como por exemplo prensas hidráulicas para ensaios de corpos de prova com alta tecnologia ao controlar a velocidade e a carga aplicadas nas amostras (CONCRETE SHOW,2014; TÉCHNE, 2014). Porém, para o controle do recebimento do concreto em obra são utilizados equipamentos simples, os quais não obtêm as informações que realmente demostrarão a qualidade do produto. A determinação da relação a/c do concreto, ainda no estado fresco, viria a preencher tal lacuna deixada pelos métodos de controle existentes, principalmente dos ensaios de abatimento que apenas informam a consistência e são facilmente influenciados por fatores externos. Sabendo disso, em 1955 Hime e Willis testaram a separação de cimento e água por meio de uma centrífuga. Em 1970, Bavelja desenvolveu um método de filtro-pressão para retirar a água do cimento. Após isso, métodos como a titulação de cálcio, técnicas de pulsos ultrassônicos, e até mesmo medidor nuclear foram desenvolvidos, alguns obtendo resultados bastante precisos, porém todos demandavam, tempo longo demais para o canteiro de obras ou corpo técnico especializado para serem executados. O método da determinação de massa de água da amostra pelo micro-ondas se destacou, porém há restrições ao uso deste pelo tempo e pelos minerais que podem conter em algumas misturas (MANCIO et al., 2010). Mancio et al. (2010) na Califórnia (EUA) desenvolveram uma sonda que, pelo método da resistividade elétrica, pode estimar a resistência à compressão do concreto no momento do recebimento do caminhão betoneira, tendo em vista que a resistência elétrica do concreto é influenciada pelo teor de água e íons solúveis na mistura. Por ser um método de fácil execução e que apresenta influência da relação a/c da mistura, acredita-se que há potencial de utilização no mercado. 15 1.2. OBJETIVOS 1.2.1. Objetivo geral O objetivo geral deste trabalho é avaliar a relação entre medidas de resistividade elétrica de concretos com cinza de casca de arroz e aditivo superplastificante com propriedades no estado fresco e endurecido. 1.2.2. Objetivos específicos Os objetivos específicos são: a) avaliar a influência da cinza de casca de arroz e do aditivo superplastificante na resistividade elétrica do concreto no estado fresco; b) estabelecer a relação das medidas de resistividade elétrica no estado fresco com a relação água/aglomerante dos concretos estudados; c) avaliar a relação da resistividade elétrica no estado fresco com o abatimento de tronco de cone; d) estabelecer relações entre a resistividade elétrica no estado fresco com a resistência à compressão com resistividade no estado endurecido e com a absorção de água; 1.3.ESTRUTURA DA PESQUISA Este trabalho é desenvolvido em cinco capítulos. No primeiro capítulo se encontra a introdução, a justificativa, os objetivos, a estrutura e as delimitações da pesquisa. O segundo capítulo aborda a revisão bibliográfica dos assuntos pertinentes ao tema pesquisado, enfocando em concretos com aditivo superplastificante, concretos com cinza de casca de arroz, controle tecnológico do concreto nos estados endurecido e fresco, teoria da resistividade elétrica e trabalhos abordando estudos de resistividade elétrica de concretos nos estados endurecido e fresco. O programa experimental do estudo, bem como os materiais e métodos que foram utilizados na pesquisa estão contemplados no capítulo três. O capítulo quatro apresenta os resultados obtidos na pesquisa, bem como a análise e discussão destes. 16 No quinto e último capítulo são demonstradas as conclusões obtidas na pesquisa. 1.4. DELIMITAÇÕES DO TRABALHO O desempenho do concreto pode ser influenciado por vários fatores e por isso são estabelecidos limites durante o programa experimental Destacam-se neste trabalho: Tipo de cimento: como o objetivo geral da pesquisa é verificar a influência da utilização de aditivo superplastificante e a substituição de parte do cimento por cinza de casca de arroz (CCA) na resistividade de concretos, frente à utilização de sonda no estado fresco; decidiu-se trabalhar com apenas um tipo de cimento, o CPII F-32, pois não há adição pozolânica na sua composição. Percentuais de substituição de cimento por CCA: foram empregados apenas dois percentuais de substituição do cimento pela cinza de casca de arroz, 10% e 20%. Foi, também, empregado o uso de aditivo superplastificante em parte dos concretos para verificar qual a influência deste na resistividade elétrica. Foram, ainda, executados concretos com quatro relações a/c e a/agl: 0,35, 0,45, 0,55 e 0,65, que se embasam no estudo feito por Braun (2015). Tipo de aditivo: o aditivo que foi utilizado para o estudo é o superplastificante Glenium, à base de policarboxilato, da marca Basf. Tipo de cinza de casca de arroz: cinza comercial. A cinza é oriunda de um mesmo lote de produção. 17 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Na revisão bibliográfica estão apresentados assuntos pertinentes ao estudo como concretos com aditivo superplastificante e com cinza de casca de arroz, o controle tecnológico do concreto, teoria da resistividade elétrica, o uso desta na geofísica e trabalhos que utilizaram esta para estudo do concreto. 2.1. CONCRETO COM ADITIVO SUPERPLASTIFICANTE O aditivo superplastificante, conforme a NBR 11768 (ABNT 2011), é definido como um produto que, quando adicionado às misturas de concreto, pode reduzir em até 12% a água de amassamento para que se mantenha certa consistência, e pode também aumentar o índice de consistência do concreto caso permaneça a quantidade de água. O cimento tem uma forte tendência de flocular quando misturado com a água devido às forças de Van der Waals. Esta forte ligação entre as moléculas de água e os grãos de cimento prende a estrutura floculada durante a mistura do concreto, demandando uma maior quantidade de água para que seja trabalhável. Este excesso de água será útil apenas para a trabalhabilidade, pois originará poros que diminuirão a resistência e a durabilidade da estrutura (HARTMANN et al., 2011). Para impedir tal efeito, são adicionados aditivos químicos que se ionizam imediatamente na água e impedem a dissolução dos componentes do cimento, ou seja, o aditivo quebra a ligação da estrutura floculada e causa uma repulsão eletrostática entre os grãos de cimento, retardando seu endurecimento e proporcionando melhor trabalhabilidade sem a necessidade de adição de água na mistura, pois a água já adicionada está disponível para tornar o concreto mais fluido (MEHTA, MONTEIRO, 2008; HARTMANN et al., 2011). Na Figura 1 são representados esquemas das partículas de cimento misturadas à água antes e após a adição de aditivo, demonstrando a desfloculação das moléculas. Figura 1 – Ação do aditivo nas moléculas de cimento e água Fonte: Mehta; Monteiro (2008, p. 294) 18 Esse efeito ocorre devido à estrutura química do aditivo. Nos aditivos plastificantes que apresentam em sua ase condensados de formalde do-sulfonato de melamina ou de naftaleno, o ácido sulfônico adsorve às partículas de cimento, carregando-as negativamente (NEVILLE; BROOKS, 2013). Já nos superplastificantes à base de policaboxilatos as principais forças de repulsão são os chamados efeitos estéricos. Da mesma forma que nos plastificantes, as moléculas de policarboxilato são adsorvidas pelas partículas de cimento e, por apresentarem maiores cadeias laterais de polímeros, desenvolvem efeito dispersante maior que os plastificantes. (HARTMANN et al., 2011). Portanto, conforme colocam Mehta e Monteiro (2008), enquanto a dosagem de aditivos plastificantes alcança uma redução de até 10% da água de amassamento do concreto, a dosagem de aditivos superplatificantes pode reduzir de 20 a 30% da mesma. Na Figura 2, é ilustrada a diferença entre os aditivosplastificantes (à base de naftaleno e melamina) e o aditivos superplastificantes (à base de policarboxilato), quanto à sua ação nas partículas de cimento. Figura 2 – Mecanismo de repulsão (a) eletrostática de aditivo plastificante e (b) e (c) estérica para aditivo superplastificante Fonte: Hartmann et al. (2011 p. 356) Com essas propriedades, Collepardi (2005) mostra que os aditivos superplastificantes proporcionam às misturas de concreto o resumo apresentado no esquema da Figura 3. Ou seja, há várias possibilidades de melhorar as propriedades do concreto no estado endurecido sem 19 aumentar os custos ou até mesmo de reduzir os custos, reduzindo a utilização de materiais, sem perder a qualidade. Sem a inserção de aditivo, ocorre maior retração no concreto endurecido e produção de calor na cura tanto para situações em que se objetiva (a) a obtenção de maior resistência, aumentando-se a quantidade de cimento, quanto (b) no caso onde se procura uma maior trabalhabilidade, aumentando tanto o cimento quanto a água. Collepardi (2005) completa ainda mostrando que o aditivo superplastificante pode ser utilizado como (c) redutor de água, aumentando a resistência e durabilidade do concreto, sem perda de trabalhabilidade. Pode, também, ser utilizado para (d) economia de cimento e água, proporcionando a mesma resistência, durabilidade, trabalhabilidade de concretos sem aditivos e diminuindo a retração, a fluência e o calor de hidratação, que é bastante benéfico no caso de estruturas de grandes dimensões ou climas quentes. Por fim, há a possibilidade de (e) manter todas as quantidades de materiais e adicionar o aditivo, que manterá as características do concreto endurecido e aumentará a trabalhabilidade deste no estado fresco, o que é muito importante no caso de estruturas com alta taxa de armadura. Figura 3 – Diagrama esquemático do efeito dos superplastificantes no concreto Fonte: Adaptado de Collerpadi (2005) Para concretos dosados de centrais, o limite de tempo de entrega conforme a NBR 7212 (ABNT, 2012) é de 60 minutos, sendo que o caminhão poderá ficar parado no máximo 20 30 minutos na obra. Para descarga, a norma determina que o prazo seja de até 60 minutos, ou seja, o período total da entrega não pode ultrapassar 150 minutos. Porém, o transporte vem se tornando um grande obstáculo a ser ultrapassado (POLESELLO et al., 2013), tanto em grandes cidades, onde o trânsito não permite uma rápida mobilidade, quanto em cidades menores, que muitas vezes estão localizadas há muitos quilômetros de distância da central dosadora, fazendo com que o caminhão ultrapasse o tempo de entrega por não conseguir alcançar altas velocidades devido ao seu peso e aos limites estipulados por lei. Para o motivo das limitações da norma, Neville e Brooks (2013) explicam que a trabalhabilidade diminui com o tempo, gerando perda do abatimento, que pode variar conforme a “riqueza da mistura, o tipo de cimento, a temperatura do concreto e a trabalha ilidade inicial”. Por isso, para situações de campo os autores recomendam que se realizem os ensaios na situação mais real possível, principalmente quando as condições ambientais são ou estão incomuns. Uma solução para o problema da perda de trabalhabilidade é indicada no trabalho de Polesello et al. (2013). Neste projeto foram comparados os resultados de resistência à compressão de concretos onde o tempo de mistura foi de 0, 2, 4, 5 e 6 horas, ultrapassando o tempo determinado na norma. Os resultados mostram que ocorre uma estabilidade nas resistências mecânicas finais e que, portanto, esses tempos podem, sim, ser aceitos se for mantida a mistura e a trabalhabilidade, esta última com o auxílio de aditivos superplastificantes. No estudo de Diamond (2006) avaliando a microestrutura do concreto, foram feitas imagens por microscopia eletrônica de varredura de concretos com diferentes teores de aditivos superplastificante à base de policarboxilato. O autor executou concretos referência sem aditivo, concretos com adição média de aditivo superplastificante (que gerou aumento do abatimento de tronco de cone) e concretos com grande adição do aditivo (que acarretou na queda total no ensaio de abatimento). Apresentando as imagens da microestrutura, o autor mostra que em todos os concretos estudados ocorrem áreas densas que exibem elevada concentração de grãos de cimento não hidratados intercaladas com zonas altamente porosas onde quase não são vistos grãos residuais de cimento não hidratados. Assim, concluiu-se que a estrutura irregular não é produzida em consequência da condição floculada da pasta de cimento nos concretos frescos convencionais. 21 2.2.CONCRETOS COM CINZA DE CASCA DE ARROZ Neste item serão abordadas características da cinza de casca de arroz, sua produção e geração e, por fim os efeitos de sua utilização em concretos no estado fresco e no estado endurecido. 2.2.1. Cinza de casca de arroz A cinza de casca de arroz é um resíduo da produção do arroz que apresenta alto índice de atividade pozolânica devido à presença de sílica amorfa. A adição de pozolanas no concreto proporciona grandes melhorias no estado endurecido por reduzir e preencher os poros, aumentando a resistência à compressão e a vida útil do material. Porém, no estado fresco, a elevada área superficial da cinza resulta em concretos menos trabalháveis, mais coesos, demandando maior quantidade de água na mistura (DAL MOLIN, 2011). 2.2.1.1. Produção do arroz O Brasil é o nono produtor mundial de arroz e mais da metade da produção nacional se dá na região sul do país (MAPA, 2014). A safra de arroz 2013/2014 foi de aproximadamente 12,3 milhões de toneladas, o que corresponde a um aumento de 4,4% em relação à safra anterior e o Rio Grande do Sul foi responsável por 68,0% desta produção (IBGE, 2014). Já a safra 2014/2015 no Rio Grande do Sul apresentou um aumento médio de 3,27% e a produção total ao final de maio de 2015 foi de 8.368.093 toneladas de arroz (IRGA, 2015). Quando colhido, o grão de arroz apresenta grandes quantidades de impurezas e teor de umidade entre 25-30% e, para evitar perdas após a colheita, a secagem deve ser realizada em no máximo 24 horas. Para grandes culturas, onde não é possível a secagem imediata de toda a colheita, é exigido que seja feita uma pré-limpeza para posterior secagem. Para o beneficiamento, o arroz deve estar com 12-15% de umidade e para o armazenamento a umidade máxima é de 13% (EMBRAPA, 2005; BIODIESELBR, 2014). Ainda segundo a Embrapa (1999), no processo de beneficiamento do arroz polido, a primeira atividade é o descascamento dos grãos. 2.2.1.2. Geração da cinza de casca de arroz A casca do arroz representa entre 20 e 22% do peso total do grão (RICE HUSK ASH, 2008). Esta casca é utilizada nas usinas como biomassa, pois a queima da casca e os gases de combustão geram aquecimento para a secagem. O site Biodieselbr (2014) apresenta uma 22 estimativa de que 50% da casca do arroz produzida em um ano é destinada à produção de energia elétrica, tendo em vista que 15% são destinados à secagem e aproximadamente 35% é utilizada como biomassa em pequenas indústrias. Apesar da grande utilidade que este resíduo possui, ainda ocorre um grande volume de descarte incorreto, o que acaba por contaminar o solo. A Fepam-RS, em sua diretriz técnica nº 002/2011, coloca as diretrizes para as empresas de beneficiamento do arroz quanto à “Gestão de resíduos caracterizados como casca de arroz e cinzas resultantes do processo de queima da casca”. Entre essas diretrizes consta a incorporação do res duo como parte do processo de produção do clínquer. Comesta diretriz técnica e com as pesquisas de utilização da cinza de casca de arroz como super-pozolana para concreto, este cenário vem mudando a passos lentos no Rio Grande do Sul. Só na região de Pelotas são geradas aproximadamente 35 mil toneladas de cinza de casca de arroz por ano e 25% disso é utilizado na incorporação de produtos de indústrias locais, 53% desse resíduo é escoado por via úmida para minimizar a poluição no local de trabalho, porém acarreta no encarecimento da reciclagem final (POUEY, 2006). 2.2.1.3. Características Dependendo das impurezas presentes na casca de arroz, a cinza totalmente queimada pode ter coloração branca, roxa ou cinza e, quando a queima não for completa, permanecerá grande parte de carbono, responsável pela cor preta. A reatividade da cinza é devida à grande área superficial e ao elevado teor de sílica amorfa. (SIDDIQUE; KHAN, 2011). Porém a reatividade da sílica irá depender de fatores como a temperatura e duração da queima e do tempo destinado à moagem, quando houver. Muthadhi e Kothandaraman (2010) encontraram como condição ótima de incineração a temperatura de 500 ºC com duração de uma hora, pois essa resulta na maior densidade e máxima finura, teor máximo de sílica amorfa e maior índice de atividade pozolânica, este também foi o processo que demandou menos energia, pois temperaturas menores acabam exigindo mais tempo de incineração e temperaturas maiores acabam por não demandar tanto tempo a menos, exigindo mais energia para a produção e ainda assim não alcançando uma cinza com a qualidade encontrada na primeira situação citada. Os autores ainda colocam que a densidade da cinza é um indicativo qualitativo de seu estado amorfo, ou seja, quanto maior a densidade, maior o teor de material amorfo. Esta relação se deve ao fato de cinzas mais amorfas possuírem arranjos estruturais mais desordenados, acabando por desintegrar-se com 23 maior facilidade durante a queima, ocupando um menor volume para mesma massa que outras cinzas com características mais cristalinas. As condições de queima também têm grande influência na morfologia final das cinzas. Silveira et al. (2014) estudaram cinzas geradas em fornos de leito fluidizado e cinzas peneirada e natural gerada em forno de grelha deslizante, e os resultados mostram que a primeira obteve resultados mais satisfatórios por apresentar maior teor de sílica amorfa, entre outras características. Os pesquisadores relacionam estes resultados com a queima controlada que este tipo de forno proporciona. 2.2.2. Concretos com cinza de casca de arroz no estado fresco No estado fresco do concreto, o emprego de CCA pode ocasionar alterações significativas. Segundo Safiuddin et al. (2012) A viscosidade e fluência de concretos com cinza de casca de arroz também são alteradas, pois a grande área superficial da cinza diminui a água disponível, aumentando a viscosidade e diminuindo a fluência em diversos ensaios. . No estudo conduzido pelos autores, percebeu-se que a presença dessa pozolana também afetou a resistência à segregação do concreto para substituições acima de 15% do cimento, sendo que, abaixo deste teor ainda há alteração, porém sem grande influência. No trabalho de Krug (2011), ao estudar CCA oriunda da queima em grelhas deslizantes beneficiadas por peneiramento, foram executados concretos com percentuais de 0%, 10% e 20% de cinza de casca de arroz em substituição ao cimento e também com três relações a/agl (0,41, 0,49 e 0,57). Os resultados das propriedades no estado fresco dos concretos demonstraram que quanto maior a inserção da pozolana, maior também é a perda de abatimento da mistura. A presença de cinza de casca de arroz resulta no aumento do tempo de pega das misturas. Deve ser observado que esta CCA apresentava um elevado teor de carbono (na ordem de 7%) e este aspecto deve ser considerado na demanda de água, pois o carbono é hidórfilo, adsorvendo-a na sua superfície. Viatronski e Kulakowski (2013) estudaram o comportamento da fluidez e o ponto de saturação para o aditivo superplastificante de pastas de cimento com e sem substituição de 20% deste por CCA. Os resultados mostraram que a substituição de cimento por CCA acarretou em pastas mais coesas e que nestas houve aumento de 80% do ponto de saturação em comparação às de referência. 24 2.2.3. Concretos com cinza de casca de arroz no estado endurecido Além da pesquisa sobre influência da cinza em concretos no estado fresco, Krug (2011) observou que o tempo maior exigido neste estágio é também demandado no estado endurecido, pois, na evolução da resistência à compressão, o concreto de referência obteve resultados melhores que os demais até os 28 dias, porém aos 91 dias os traços com cinza de casca de arroz atingiram valores quase 10% maiores que os de referência. As características de moagem e queima controlada da cinza utilizada como pozolana foram estudados por Isaia et al. (2010), onde os autores demonstram que há, sim, a viabilidade da utilização de cinza de casca de arroz em concretos estruturais mesmo quando a moagem e a temperatura não são controladas, pois os concretos cujas cinzas adicionadas apresentam tais características sempre retornam qualidade superior. Apesar de confirmar tal viabilidade, Meira (2009) mostra que as porcentagens de utilização de CCA natural não devem ultrapassar valores em torno de 25%, pois este valor não se torna técnica e economicamente viável, tendo em vista que, para alcançar a mesma resistência à compressão, há um grande aumento no consumo de cimento e uma diminuição significativa na relação a/agl, tornando o concreto menos trabalhável. O motivo disso é que, quando a queima da cinza ocorre em altas temperaturas com resfriamento lento, a cinza em geral apresenta uma parcela com fases mais cristalinas, que faz com que sua reação não ocorra de forma tão eficiente quanto em estado amorfo. Ou seja, quando não se conhece ou não se tem o controle da temperatura de queima e resfriamento da casca de arroz, também não se pode prever a composição desta pozolana e, em consequência, seu comportamento (SANTOS, 2006). Fedumenti (2013), Sartori (2013) e Cecconello (2013) estudaram a influência da cinza de casca de arroz em concretos com agregado graúdo reciclado e diferentes relações a/agl analisando a resistência à compressão, absorção de água por capilaridade e dando ênfase em, respectivamente, o transporte de íons cloreto, a carbonatação e a retração. Nos três trabalhos a cinza de casca de arroz promoveu aumento da resistência à compressão e diminuição da absorção de água devido à menor porosidade dos concretos com a pozolana. Esta característica foi observada até mesmo nos concretos com agregado graúdo reciclado, demostrando que a cinza pode melhorar a zona de interface do agregado com a pasta de cimento. Todos os resultados foram melhorados quando houve a inserção da CCA, com exceção dos coeficientes de carbonatação de concretos com maior relação a/agl, que foram majorados significativamente conforme a porcentagem de CCA aumentava. 25 Tendo em vista todos esses aspectos de melhoria que a CCA proporciona, sua incorporação no concreto resulta em economia devido ao aumento da durabilidade das estruturas. Sendo assim, essa é mais uma característica da sustentabilidade desses concretos, que já começa com a reutilização de um resíduo da produção do arroz. 2.3. CONTROLE DO CONCRETO Atualmente existem vários métodos de controle de qualidade do concreto principalmente no estado endurecido. No estado fresco, foram desenvolvidos vários métodos de controle de recebimento do concreto auto-adensável, porém para concretos plásticos, que são osmais utilizados atualmente, apenas o ensaio de abatimento de tronco de cone é utilizado e normatizado pela ABNT. 2.3.1. Controle no estado endurecido Neste item será tratado sobre os ensaios de controle do concreto no estado endurecido: método da maturidade e resistência à compressão axial. O método da resistividade elétrica será abordado no item 2.4. 2.3.1.1. Método da maturidade Neste método, tendo em vista a evolução da temperatura do concreto ao longo do tempo, é possível obter uma estimativa de sua resistência à compressão. Normatizado pela ASTM C1074, o método da maturidade é considerado um ensaio não destrutivo para verificação do concreto de elementos estruturais (EVANGELHISTA, 2002). O grande objetivo deste método é a liberação das estruturas para as próximas etapas da obra, como por exemplo a liberação de espaços ocupados por escoras, a remoção de formas para serem utilizadas nos próximos pavimentos, aplicação de protensão e/ou cargas (ASTM C1074, 2011). Nos ensaios executados neste método leva-se em conta que as amostras utilizadas são representativas de toda a estrutura, considerando-se que a temperatura é relativamente uniforme e sabendo-se a idade de cada parte do elemento estrutural tendo em vista também a data em que foi concretado (MEHTA; MONTEIRO, 2008). A norma fornece método de execução e estimativa da maturidade tanto coletando amostras e obtendo os dados em laboratório, quanto fazendo-os no local da obra, instruindo como estes devem ser executados. 26 Tutikian et al. (2012) obtiveram bons resultados quando utilizaram o método em obra constituída de estrutura de concreto autoadensável. Os autores observam que, com mais estudos, a indústria de pré-fabricados poderia se beneficiar bastante com a estimativa das resistências mecânicas dos seus concretos. Apesar de ser este um método bem aceito, ele não exige que sejam comparados os resultados com resultados de resistência à compressão, o que tornaria os resultados mais confiáveis tendo em vista que a liberação da retirada de fôrmas e escoras de qualquer elemento estrutural é uma atividade que requer bastante atenção quando executada nas primeiras idades, ainda mais quando o objetivo é a aplicação de cargas. A ASTM deixa claro que este é um método que resulta em uma estimativa, ou seja, é apenas um indicativo da resistência alcançada pelo concreto, porém há uma aceitação do ensaio como sendo suficiente para o controle tecnológico, ainda mais quando o ensaio é executado com termopares inseridos na estrutura. A recomendação geral é de que, ao medir a temperatura pelo método da maturidade e esta coincidir com a calibração efetuada e seja indicativa para a liberação da estrutura, que a mesma seja confirmada com a execução do ensaio de resistência à compressão em corpos de prova. 2.3.1.2.Resistência à compressão axial Segundo Pacheco e Helene (2013), o Brasil possui uma das normatizações mais exigentes e rígidas de controle do concreto. As normas americanas, por exemplo, exigem que seja feito apenas um exemplar por dia de concretagem. O controle recomendado pelo fib Model Code 2010 e EuroCode II para produção contínua de concreto é que, a partir dos 50 m³ iniciais, seja retirado pelo menos um exemplar por semana quando este tiver controle de produção certificado. Já no Brasil, a formação de lotes de amostragem e a estimativa do fck é definida pela NBR 12.655 Concreto de Cimento Portland – Preparo, controle e recebimento (ABNT, 2015) e as quantidade de amostragem de concreto é definida pela NBR NM 33: 1998 Concreto – Amostragem de concreto fresco. Nesta norma é determinado que, durante a operação de descarga, deve ser coletada amostra “após a retirada dos primeiros 15% e antes de completar a descarga de 85% do volume total da etonada”, sendo que neste intervalo devem ser retiradas pelo menos duas amostras. A aceitação final do concreto se dá pelo resultado do ensaio de compressão axial, portanto é extremamente importante que sejam bem executados o adensamento e o ensaio de ruptura dos corpos de prova, pois a má execução destes pode diminuir em até, 27 respectivamente, 50% e 5% a resistência característica das amostras. Outra fase determinante nesse processo é o correto acabamento da superfície dos corpos-de-prova que também pode diminuir em até 50% o resultado (ANDRADE; TUTIKIAN, 2011). Para evitar tais problemas, o procedimento de moldagem e cura dos corpos de prova é normatizado pela NBR 5738 (ABNT, 2008) e o ensaio de resistência à compressão destas amostras é padronizado pela NBR 5739 (ABNT, 2007). Para o cálculo da resistência característica (fck) do concreto admite-se uma função estat stica de erro, conhecida como “distri uição normal de Gauss”, a qual descreve a média e o desvio padrão das amostras. Assume-se, assim, que há a probabilidade de até 5% dos exemplares ensaiados não alcançarem a resistência de projeto sem que esses resultados sejam significativamente influentes na resistência efetiva (fck,ef), tendo em vista o volume de concreto ensaiado se comparado com o concreto que foi destinado à estrutura da edificação (HELENE; TERZIAN, 1993). 2.3.2. Controle no estado fresco O controle de aceitação do concreto no estado fresco é normatizado pela NBR 12.655: Concreto de Cimento Portland – Preparo, controle e recebimento – Procedimento (ABNT, 2015). Nesta norma está prescrito que para aceitação em obra do concreto no estado fresco, deve ser determinada a consistência a cada betonada pelo abatimento de tronco de cone (para concretos plásticos) e o espalhamento e habilidade passante em fluxo livre (para concretos autoadensáveis). Neste trabalho não serão abordados concretos autoadensáveis devido ao enfoque nos concretos de consistência plástica. Há também o controle de qualidade de concretos que apresentam misturas mais secas, realizado pelo ensaio do Consistômetro de Vebê, porém este não será abordado também pelo fato de ser realizado apenas em laboratório, não sendo normalmente aplicável em obras (NEVILLE, BROOKS, 2013). Neste item será tratado so re os ensaios “Bola de Kelly”, “A atimento de tronco de cone” e a ordado ligeiramente so re métodos estudados para a determinação da relação água/cimento de concretos no estado fresco. Bola de Kelly Mais simples que o ensaio de abatimento de tronco de cone, o ensaio de bola de Kelly pode ser executado com o concreto estando em um carrinho de mão ou até mesmo já na 28 fôrma. Neste ensaio, um hemisfério de 152 mm pesando 14 kg é solto de uma altura mínima de 23 cm sobre a mistura de concreto que não deve ter profundidade menor que 200 mm. Este ensaio é utilizado para avaliar alterações nas misturas. Atualmente é rara sua utilização (NEVILLE; BROOKS, 2013). Abatimento de tronco de cone O método para a execução do ensaio de abatimento é normatizado pela NBR NM 67 (ABNT, 1998), e nesta também é determinada a aparelhagem a ser utilizada. Bastante simples, tais aparelhos são metálicos e consistem de um molde metálico com forma de tronco de cone tendo a altura de 300 mm, com diâmetro superior de 100 mm e inferior de 200 mm. Este molde ainda possui alças laterais e é denominado “Cone de A rams”, uma placa metálica de base para apoio do molde, uma haste de compactação e um complemento para auxílio do enchimento do molde. O resultado é medido em milímetros, conforme mostra a Figura 4. Figura 4 – Medida do abatimento Fonte: ABNT (1998, p. 8) O método consiste basicamente em preencher o molde tronco-cônico com concreto, inserindo a mistura neste em três camadas e aplicando, em cada camada, 25 golpes com a haste metálica para o adensamentodas camadas. Preenchido com concreto, retira-se o molde em dez segundos, coloca-se o molde ao lado do concreto e, com auxílio da haste e de uma régua (conforme a Figura 4) mede-se quanto este concreto baixou em altura, esta medida é chamada de abatimento. 29 Este ensaio se tornou universalmente aceito pela sua simplicidade de execução, pela possibilidade de dar uma noção da trabalhabilidade do concreto ensaiado, por permitir uma inspeção visual caso ocorram misturas muito secas, pobres, variações na dosagem, ou até mesmo casos em que o concreto já inicia o endurecimento pelo atraso da entrega na obra (NEVILLE; BROOKS, 2013). Tais fatores podem causar problemas para a execução da estrutura por impedir o correto adensamento nas formas, por prejudicar o trabalho executado pela mão de obra, e até mesmo por diminuir a qualidade do concreto que será aplicado. Porém, com o advento dos aditivos químicos, conseguiu-se enfrentar tais problemas e garantir a trabalhabilidade e consistência das misturas por um período maior de tempo após a mistura de todos os constituintes do concreto. Visando proporcionar um concreto de boa trabalhabilidade, até 2012 o projetista estrutural determinava o resultado que deve ser obtido no ensaio de abatimento, geralmente permitindo uma margem de alguns centímetros de desvio. A partir de setembro deste ano, a NBR 7212 (ABNT, 2012) passa a classificar as medidas encontradas no ensaio de abatimento conforme a Tabela 1, determinando também os possíveis limites. Caso o concreto não alcance ou ultrapasse o abatimento de projeto, ou até mesmo que o responsável técnico perceber alguma variabilidade na mistura, o lote inteiro pode ser rejeitado. Tabela 1 – Classes de abatimento no ensaio de tronco de cone Classe Faixa de abatimento S10 de 10 a 50 mm S50 de 50 a 100 mm S100 de 100 a 160 mm S160 de 160 a 220 mm S220 maior que 220 mm Fonte: ABNT (2012, p. 9) Uma crítica à importância dada a este ensaio é apresentada no trabalho de Mascolo (2012), onde o pesquisador discute que os resultados obtidos no ensaio de abatimento de tronco de cone não têm relação alguma com os resultados finais de resistência à compressão de todos os concretos estudados. Para o controle de qualidade do concreto no estado fresco, o que se busca é uma determinada trabalhabilidade ótima, porém não existem requisitos normativos de determinação desta, pois esta pode variar conforme a obra (MEHTA; MONTEIRO, 2008). A trabalhabilidade tem mais relação com a adequação do concreto desde as etapas de mistura e 30 transporte até o lançamento e acabamento final deste. Já a consistência está mais ligada à homogeneidade, coesão e escoamento, ou seja, representa uma pequena parte de um conjunto desejado (ROMANO; CARDOSO; PILLEGGI, 2011). Portanto, cada projeto determina o ensaio a ser executado conforme as informações que se deseja obter para o controle tecnológico. Métodos para a determinação da relação água/cimento Novos métodos vêm surgindo há décadas para o controle do concreto no estado fresco, principalmente para a determinação do teor de água nas misturas. Inúmeros testes e ensaios foram elaborados como titulação química de cloretos, pulsos ultrassônicos, equipamento reflectómetro, método de turbidez, separação de componentes por flutuação, tecnologia nuclear, método do micro-ondas e da resistividade elétrica. Nenhum destes métodos conseguiu aplicabilidade em obra por vários motivos como dificuldade de execução que exigia corpo técnico especializado, equipamentos caros e demanda de tempo maior do que uma obra pode aceitar para a aceitação de um lote de concreto, porém destacaram-se os dois últimos citados (BRAUN, 2015; MANCIO ET AL., 2010). O método do micro-ondas apresentado por Nantung (1998) baseia-se em pesar amostras de concreto no estado fresco e secá-las pelo aquecimento em um forno de micro- ondas. A diferença entre as massas indica o percentual de água das amostras, tendo-se a quantidade de cimento especifica para as misturas, pode-se determinar a relação água/cimento. O método da resistividade elétrica, que relaciona esta propriedade do concreto no estado fresco com relação a/c. Tendo em vista o enfoque da pesquisa, neste trabalho o método da resistividade elétrica do concreto será abordado no item 2.5. 2.4. RESISTIVIDADE ELÉTRICA A oposição à passagem de corrente elétrica em um material é denominada resistência elétrica e sua unidade é o ohm (). Para determinar o valor da resistência, aplica-se uma diferença de potencial (V) entre dois pontos de um condutor e mede-se a corrente (i) resultante, conforme a Equação 1 (sendo V e Volts e i em Ampéres) (HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 2012). 31 Equação 1 Onde: R – Resistência elétrica; V – Diferença de potencial, ou tensão; i – corrente elétrica. Já o material condutor que possui/exerce resistência é chamado de resistor ( ). Este resistor apresentará maior ou menos resistência à passagem de corrente elétrica conforme sua resistividade elétrica () e esta característica é definida como a dificuldade que uma corrente elétrica tem ao passar por um meio. O valor da constante de resistividade de cada material pode ser encontrado dividindo-se o campo elétrico (E) pela densidade de corrente elétrica (J) (Equação 2). Com isso, a unidade de resistividade é ohm-metro (×m) (BAUER; WESTFALL; DIAS, 2012). Equação 2 Onde: – Resistividade elétrica; E – Campo elétrico; J – Densidade de corrente elétrica. O inverso da resistividade é denominado condutividade (σ), que é representado pelas Equações 3 e 4 e tem como unidade (×m)-1. Equação 3 Equação 4 Onde: σ – Condutividade elétrica. A resistividade característica de soluções líquidas varia com a temperatura, ou seja, quanto maior a temperatura, maior o movimento dos íons dissolvidos e, assim, mais facilmente ocorre a passagem da corrente elétrica na solução, aumentando a condutividade e, logo, diminuindo a resistividade. Em metais, porém, ocorre o efeito contrário, sendo que o 32 aumento da resistividade tem relação quase diretamente proporcional ao aumento temperatura (HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 2012). Segundo Halliday, Rescnick e Walker (2012) outro fator que pode influenciar na condutividade de materiais é o fato de ser um condutor ou semicondutor. Os primeiros o edecem à “Lei de Ohm”, onde a resistência do material é constante e independente da diferença de potencial aplicada, e com isso, o gráfico da corrente em função da tensão resulta em uma reta conforme a Figura 5 (a). Já nos semicondutores ocorrem alterações quando há mudanças nas tensões aplicadas aos materiais (ou soluções), sendo assim, haverá um gráfico “corrente x tensão” diferente sempre que houver mudança de material, como mostra o exemplo da Figura 5 (b), onde passa haver corrente elétrica a partir de uma diferença de potencial maior que 1,5 V. Figura 5 – Resistência de meteriais (a) condutores e (b) semicondutores Fonte: Halliday; Resnick; Walker (2012, p. 143) Tendo em vista que a alteração de materiais acarreta na alteração também da resistividade, a geologia utiliza a prospecção geofísica como um método não destrutivo de determinação de perfis geológicos e a engenharia utiliza o método da resistividade do concreto para controlar a corrosão de armaduras de concreto armado. 2.4.1. Resistividade de materiais porosos e o uso na geofísica Miranda et al. (2012) explicam que as rochas são materiais heterogêneos onde os poros são as fases líquidas ou gasosasque preenchem a fase sólida, denominada matriz, e que a resistividade destas varia conforme o volume de água e a profundidade da rocha, pois quanto mais profunda, maior a concentração mineralógica e, logo, maior a solução de íons (TELFORD; GELDART; SHERIFF, 1998). Confirmando isto, Oliveira (2004) descreve que 33 os solos são materiais trifásicos compostos por sólido, líquido e ar, e coloca ainda que a fase gasosa é sempre considerada como corpo isolante. A resistividade de rochas também é influenciada pelo tipo de matriz rochosa, sendo que as rochas ígneas apresentam as resistividades mais elevadas e, as rochas sedimentares, as mais baixas (MIRANDA et al., 2012) Em soluções, a condução de elétrons, ou seja, a corrente elétrica ocorre por meio da migração dos íons que estão dissolvidos na solução aquosa, este processo é denominado condução eletrolítica (TELFORD; GELDART; SHERIFF, 1998). Outros dois processos, a condução eletrônica (ôhmica) e a condução dielétrica ocorrem, respectivamente, em condutores metálicos por meio dos elétrons livres e em materiais pouco condutores que polarizam suas moléculas quando aplicada corrente alternada (OLIVEIRA, 2004; NETO, 2002). Telford, Geldart e Sheriff (1998) e Miranda et al. (2012) apresentam a Lei de Archie (Equação 5) para descrever a resistividade de rochas, porém Mancio et al. (2010) colocam que esta equação é a que melhor se aplica para determinação da resistividade de materiais porosos em geral mesmo que esta tenha sido originalmente destinada para a geofísica (ARCHIE, 1942). A utilização desta é ampla por considerar a porosidade do material e a resistividade do fluido presente nos poros. Equação 5 Onde: ρb – Resistividade elétrica global do material; ρf – Resistividade elétrica da solução, a e m – constantes empíricas (MANCIO et al., 2010). S – fração de saturação; ϕ – porosidade; n – valor dependente do preenchimento dos poros. O valor de n é próximo de 2,0 quando o preenchimento dos poros com solução aquosa está em mais de 30% (MANCIO et al. 2010; MIRANDA et al. 2012; LI; WEI; LI, 2003; TELFORD; GELDART; SHERIFF, 1998). 34 Sendo assim, para materiais porosos saturados a fórmula para determinação da resistividade do material fica como apresentado na Equação 6, tendo em vista que S será igual à 1. Equação 6 Na geofísica, a determinação da resistividade de rochas e solos é normatizada pela ASTM G57-06: 2012. 2.4.2. O princípio dos quatro pontos Sabendo-se que materiais não homogêneos apresentam diferentes resistividades em sua constituição, é possível determinar mapas das regiões de diferentes resistividades, utilizando-se corrente elétrica contínua, medindo-se a diferença de potencial entre dois pontos superficiais por meio da aplicação de corrente através de outros dois pontos na superfície conforme mostra a Figura 6 (MEHTA; MONTEIRO, 2008; MIRANDA et al. 2012; TELFORD; GELDART; SHERIFF, 1998; CASCUDO, 1997). Figura 6 – Determinação da resitividade de materiais pelo arranjo de Wenner Fonte: Modificado de Mehta e Monteiro (2008, p. 424) É habitual que na Geofísica denominem-se os eletrodos de injeção de eletricidade de A e B e os de leitura são designados M e N. No arranjo de Wenner os espaçamentos “a” apresentam a mesma dimensão. Existem outras formas similares a este arranjo e nessas os espaçamentos adotados são sempre diferentes, com isso ocorre também mudança nos fatores geométricos (MIRANDA et al., 2012). O método dos quatro pontos aplica a equação da densidade de corrente com o objetivo de obter a diferença de potencial obtida nos pontos M e N resultante da aplicação de corrente 35 elétrica pelos pontos A e B (MIRANDA et al., 2012; MANCIO et al., 2010). A fórmula geral dos quatro pontos é apresentada abaixo na Equação 7. Reorganizando esta com o fator geométrico de Wenner tem-se, por fim, as Equações 8 e 9 para a determinação da resistividade elétrica. [ ] Equação 7 Equação 8 Equação 9 Onde: k – fator geométrico do equipamento utilizado; VM – Tensão medida no eletrodo M; VN – Tensão medida no eletrodo N; AM, BM, AN, BN – Espaçamento entre os eletrodos A e M, B e M, A e N e B e N. É interessante observar que há uma pequena alteração na Equação geral quando aplicada à geofísica. Pois no caso do concreto, o campo elétrico forma uma esfera conforme a Figura 7 (quando mergulhado em um corpo de prova ou estrutura). Já no caso da geofísica, como as dimensões da esfera terrestre sempre serão muito maiores do que a profundidade da sonda, o campo elétrico forma uma semiesfera (Figura 8 e Figura 9). Figura 7 – Densidade de corrente em um espaço esférico Fonte: Mancio et al. (2010) 36 Figura 8 – Densidade de corrente em um espaço semiesférico Fonte: Miranda et al. (2012, p. 140) Figura 9 – Campo elétrico semiesférico na superfície terrestre Fonte: Miranda et al. (2012, p. 142) Sendo assim, na Equação 8, no lugar do denominador “4πa”, entra o valor “2πa”, pois é metade de uma esfera (MANCIO et al., 2010; MIRANDA et al., 2012). Jordani et al. (2015) ao realizar estudo piloto com equipamento cuja distância entre eletrodos é de duas polegadas, concluem que a dimensão mínima da seção transversal à face de leitura é de 100 mm. 2.5. A RESISTIVIDADE ELÉTRICA NO CONCRETO Neste item será abordado o assunto de resistividade elétrica dos concretos no estado endurecido e no estado fresco. 2.5.1. Estado endurecido A questão da durabilidade das estruturas vem sendo cada vez mais estudada, passando no ano de 2013 a ser considerada na NBR 15575 (ABNT, 2013) que abrange exigências mínimas em termos de tempo que as estruturas de edificações devem durar sem que estas deixem de cumprir as funções que lhe foram atribuídas. Para isso, com as manutenções mínimas que devem ser previstas em projeto, as estruturas de concreto armado precisam suportar os mecanismos de degradação aos quais estão sujeitas, pois dentre eles, os principais têm como consequência a corrosão da armadura do concreto (MEDEIROS et al., 2011). Segundo Figueiredo e Meira (2013), a corrosão é um fenômeno que possui natureza eletroquímica, provocado pelo movimento de partículas eletricamente carregadas através de um eletrólito, que neste caso é a solução presente nos poros do concreto no estado endurecido. Segundo os autores, quanto maior a presença desse eletrólito, mais fácil ocorre a passagem de 37 corrente iônica (condutivdade) e isso acarreta na aceleração do processo de corrosão. Sendo assim, concretos com menor porosidade possuem pouco eletrólito (solução iônica) e acabam por apresentar maior resistividade, o que reduz a velocidade de corrosão. Assim como em rochas, a resistividade elétrica do concreto no estado endurecido é determinada pela porosidade, pela concentração de íons dissolvidos nos poros do concreto, pela matriz cimentícia (que no caso do concreto são as propriedades dos materiais da mistura) e também pelo ambiente em que a estrutura está inserida (RILEM, 2000). A distribuição e volume dos poros preenchidos com água também tem influência significativa na resistividade e acaba por ter relação com a resistência à compressão do concreto (TASHIRO; ISHIDA; SHIMAMURA, 1987). Com o objetivo de controlar o potencial de corrosão da armadura no concreto armado por meio de um ensaio não destrutivo, foram criados dois métodos de determinação da resistividade elétrica do concreto:
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