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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA CIVIL RENILTON DO NASCIMENTO SILVA UM ESTUDO SOBRE O CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO Feira de Santana - BA 2010 ii RENILTON DO NASCIMENTO SILVA UM ESTUDO SOBRE O CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO Monografia apresentada como requisito para obtenção de graduação em Engenharia Civil do Departamento de Tecnologia da Universidade Estadual de Feira de Santana. Orientador: Profº Elvio Antonino Guimarães Feira de Santana - BA 2010 iii TERMO DE APROVAÇÃO Renilton do Nascimento Silva Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao corpo docente do curso de graduação em Engenharia Civil do Departamento de Tecnologia da Universidade Estadual de Feira de Santana, como parte dos requisitos necessários à obtenção de graduação em Engenharia Civil. Aprovada por: Prof. Msc. Elvio Antonino Guimarães Orientador Prof. Msc. Eduardo Antônio Lima Costa Banca Examinadora Prof. Msc. Antônio Freitas da Silva Filho Banca Examinadora iv Sem trabalho e estudo não há salvação. Salve-se! (Autor Desconhecido) v DEDICATÓRIA Dedico esse trabalho aos meus pais, Nilton e Regina, a minha avó materna, Dona Dejanira, aos meu irmãos, aos meus sobrinhos lindos, e a minha noiva Monalisa, todos fonte da minha inspiração. vi AGRADECIMENTOS À Deus, por me conceber a vida, podendo assim lutar pelos meus objetivos. Aos meus queridos pais, que dão todo o amor, atenção e suporte aos meus estudos. A minha irmã Magali que sempre acredita no meu potencial, e sempre está do meu lado em minha defesa. A minha amorosa noiva Monalisa, por me dar forças nos momentos de dificuldades, e por todo seu amor que sustenta nossa relação. Amo-te! A minha grande avó materna Dona Dejanira, por estar sempre presente em minha vida, ajudando a me educar conjuntamente com meus pais. Ao meu eterno padrinho Sr. Maneca (In memorian) e minha adorável madrinha Dona Dulce, por me tratarem como filho, me dando todo o amor e carinho. Aos meus inseparáveis amigos Valbert e Vinícius Mansur, por estarem presentes da infância até hoje, concretizando um grande laço de companheirismo. Ao meu amigo Engº Rafael Freitas, que busca o melhor para minha vida pessoal e profissional, sempre acreditando no meu caráter. Um abração. A todos os amigos da CSO Engenharia, em especial o Engº Paulo Roberto que iniciou comigo a vida acadêmica. Ao meu Orientador Profº Elvio Antonino Guimarães, que me conduziu para a elaboração deste trabalho. A todos os policiais militares, onde trabalhamos juntos em defesa da sociedade baiana. Um abraço em especial ao meu cunhado Cap José Luís. Aos amigos da UEFS, onde encontrei grandes e boas amizades que pretendo sustentar até o resto de minha vida. Enfim, agradecer a todos que me apóiam e acreditam no meu sucesso. vii RESUMO Nas últimas décadas, os grandes avanços na tecnologia do concreto, proporcionaram o surgimento do concreto de alto desempenho (CAD), cujas características principais, são a elevada resistência mecânica e excelente durabilidade, obtidas com utilização de baixas relações água/cimento. São essas características que o diferenciam do concreto convencional. O CAD é um material que vêm sendo bastante estudado e empregado em diversos países, como Estados Unidos, França, Emirados Árabes, Malásia, entre outros. Atribui-se o desenvolvimento desta tecnologia com a utilização de dois novos materiais na dosagem dos concretos: as adições minerais (sílica ativa) e os aditivos superplastificantes. Nesse sentido, esse trabalho visa contribuir na avaliação do comportamento do CAD produzido a partir dos materiais disponíveis em qualquer região. Partindo-se da hipótese que a quantidade de superplastificante adicionada à mistura pode alterar a resistência a compressão do CAD, foram produzidos concretos com três teores de superplastificantes. Os concretos foram produzidos com mesmo traço, porém com diferentes relações água/cimento. No geral, os resultados obtidos foram satisfatórios e dentro do esperado. Observou-se que aumento da resistência do CAD é em função da diminuição da relação a/c e do aumento dos teores de superplastificante. Palavras-chave: concreto de alto desempenho; CAD; superplastificante; resistência à compressão. viii ABSTRACT In recent decades, great advances in concrete technology provided the advent of high performance concrete (HPC), whose main features are their high mechanical strength and excellent durability, obtained using low ratios of water/cement. It is these characteristics that differentiate it from conventional concrete. The HPC is a material that have been widely studied and employed in several countries like United States, France, UAE, Malaysia, among others. Attributed to the development of this technology with the use of two new materials in the dosage of concrete: the mineral additions (silica fume) and superplasticizer additives. Thus, this work aims to contribute in the performance evaluation of HPC produced from materials available in any region. Based on the hypothesis that the amount of superplasticizer added to the mix can alter the resistance to compression of HPC, were produced concrete with three levels of superplasticizers. The concrete was produced with the same trait, but with different ratios of water/cement. Overall, the results were satisfactory and as expected. It was observed that increased resistance of the HPC is a function of lowering the ratio a/c and increased levels of superplasticizer. Keywords: high performance concrete; HPC; superplasticizers; compressive strenght. ix LISTA DE ABREVIATURAS a/c Água/cimento ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas CAD Concreto de Alto Desempenho CAE Polímero acrílico à base de éter CP Corpo-de-prova fck Resistência característica do concreto NBR Norma Brasileira SMF Formaldeído e melamina sulfonada SNF Formaldeído e naftaleno sulfonado x LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 - Classes diferentes de Concreto de Alto Desempenho. ................................. 9 Tabela 2.2 - Efeito do modo de adição dos superplastificantes SMF, SNF e CAE no slump de misturas de concreto de cimento Portland. ...................................................... 21 Tabela 2.3 - Resistência à compressão do concreto de alto desempenho em função da Relação água/cimento. .................................................................................................... 38 Tabela 3.1 - Exigências Físicas e Mecânicas. ................................................................. 38 Tabela 3.2 – Exigências Químicas. .................................................................................38 Tabela 3.3 – Porcentagem retida na peneira de 75m .................................................... 40 Tabela 3.4 - Limites da composição granulométrica do agregado graúdos. ................... 40 Tabela 3.5 – Tamanho das amostras e Diâmetro máximo do agregado graúdo. ............ 41 Tabela 3.6 – Limites da distribuição granulométrica do agregado miúdo. ..................... 43 Tabela 3.7 – Tamanho das amostras e módulo de finura do agregado. .......................... 44 Tabela 3.8 – Quantidades de materiais em massa........................................................... 46 Tabela 3.9 – Proporção de materiais em massa por dosagem......................................... 46 Tabela 4.1 – Resistência aos 28 dias da dosagem 1 (teor de aditivo de 0,5%) ............... 49 Tabela 4.2 - Resistência aos 28 dias da dosagem 2 (teor de aditivo de 1,5%) ............... 50 Tabela 4.3 - Resistência aos 28 dias da dosagem 3 (teor de aditivo de 2,0%) ............... 50 xi LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 – E-Tower, prédio da cidade de São Paulo construído com CAD. ................. 7 Figura 2.2 – Performance do CAD nos arranha-céus dos EUA. ...................................... 8 Figura 2.3 – Seção polida de um corpo-de-prova de concreto. ...................................... 10 Figura 2.4 – Microssílica vista por microscópio. ............................................................ 22 Figura 2.5 – Representação esquemática de duas pastas frescas de cimento com relação a/c distintas...................................................................................................................... 25 Figura 2.6 - Interação dos fatores que influenciam a resistência do concreto ................ 31 Figura 3.1 - Balança GEHAKA nº 4881, com resolução de 0,01g ................................. 39 Figura 3.2 – Peneira LM 74 com fundo e tampa ............................................................ 39 Figura 3.3 – Limites de composição granulométrica 1 do agregado graúdo (9,5/25). ... 41 Figura 3.4 – Limites de composição granulométrica 2 do agregado graúdo (4,75/12,5). ......................................................................................................................................... 42 Figura 3.5 – Curva granulométrica do Agregado Miúdo em relação aos limites inferior e superior da zona utilizável. ............................................................................................. 43 Figura 3.6 – Corpos-de-prova capeados com enxofre .................................................... 48 Figura 3.7 – Prensa hidráulica para o ensaio de compressão axial. ................................ 48 Figura 4.1 – Gráfico de Resistência à compressão x Relação a/c. .................................. 51 Figura 4.2 – Gráfico Teor de aditivo x Relação a/c. ....................................................... 52 xii SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 1 1.1 JUSTIFICATIVA ................................................................................................ 2 1.2 OBJETIVOS ........................................................................................................ 3 1.2.1 Objetivo Geral ................................................................................................... 3 1.2.2 Objetivo Específico ........................................................................................... 3 1.3 METODOLOGIA ................................................................................................ 3 1.4 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA .................................................................... 4 1.5 LIMITAÇÕES DA PESQUISA ........................................................................... 4 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................... 6 2.1 HISTÓRICO DO CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO ............................... 6 2.2 CONCEITO ......................................................................................................... 8 2.3 ESTRUTURA DO CONCRETO ....................................................................... 10 2.3.1 Agregado ......................................................................................................... 11 2.3.2 Pasta de Cimento ............................................................................................. 12 2.3.3 Zona de Transição ........................................................................................... 12 2.4 MATERIAIS CONSTITUINTES DO CAD ....................................................... 13 2.4.1 Cimento ........................................................................................................... 13 2.4.2 Agregados ....................................................................................................... 14 2.4.2.1 Agregado Graúdo ........................................................................................ 15 2.4.2.2 Agregado Miúdo.......................................................................................... 16 2.4.3 Aditivos ........................................................................................................... 16 2.4.3.1 Aditivos Redutores de Água ........................................................................ 17 2.4.3.2 Superplastificante ........................................................................................ 18 2.4.4 Adições Minerais ............................................................................................. 21 2.4.4.1 Sílica Ativa .................................................................................................. 22 2.5 RELAÇÃO ÁGUA/CIMENTO ......................................................................... 24 2.6 DOSAGEM DO CAD ........................................................................................ 26 2.7 COMPATIBILIDADE ENTRE CIMENTO PORTLAND E SUPERPLASTIFICANTE .......................................................................................... 28 2.8 PROPRIEDADES MECÂNICAS DO CAD ...................................................... 28 xiii 2.8.1 Concreto Fresco ............................................................................................... 29 2.8.2 Concreto Endurecido ....................................................................................... 29 2.8.2.1 Resistência à Compressão ............................................................................ 29 2.8.2.2 Fatores que Afetam ...................................................................................... 31 2.8.2.3 Durabilidade ................................................................................................ 35 2.8.2.4 Módulo de Deformação ............................................................................... 35 3 PROGRAMA EXPERIMENTAL ....................................................................... 37 3.1 SELEÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAS .................................... 37 3.1.1 Cimento ........................................................................................................... 37 3.1.2 Agregados Graúdos ......................................................................................... 40 3.1.3 Agregados Miúdos........................................................................................... 42 3.1.4 Aditivo Superplastificante ............................................................................... 443.2 PROPORCIONAMENTO DOS MATERIAIS ................................................... 44 3.3 PRODUÇÃO E PREPARO DOS CORPOS-DE-PROVA .................................. 46 3.4 RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO SIMPLES................................................... 47 4 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS ..................................... 49 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................... 53 5.1 CONCLUSÕES ................................................................................................. 53 5.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ............................................... 54 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 55 1 1 INTRODUÇÃO Este trabalho apresenta em essência um estudo sobre a influência dos diferentes teores de superplastificante na propriedade de resistência à compressão do concreto de alto desempenho (CAD). Seu uso está bastante difundido, haja vista o grande interesse de se obter um concreto com excelentes características, tais como: elevada resistência, boa trabalhabilidade e grande durabilidade. O concreto de alto desempenho é possível graças ao desenvolvimento de materiais cimentícios, adições suplementares e superplastificantes de alta eficiência, adicionados à sua mistura. O trabalho enfoca o uso de dois materiais usados na dosagem do CAD, são eles: superplastificante (aditivo) e sílica ativa (adição mineral). A tecnologia do concreto de alto desempenho tem evoluído intensamente nas últimas décadas, principalmente no que diz respeito às formas de obtenção desse material. Grandes vantagens econômicas e estruturais são obtidas com a utilização desse concreto, tais como: redução das seções dos elementos de concreto (pilares), baixa porosidade, baixa permeabilidade, elevada resistência ao desgaste e menor tempo e custo de manutenção. Segundo Price (2003), o CAD pode ser manipulado por diversas técnicas construtivas, porém, deve ser dada atenção especial a fim de evitar atrasos no seu lançamento, secagem e cura. O CAD também é caracterizado por ter um alto módulo de deformação e resistência à tração, bem como menor retração durante a secagem. As principais aplicações do CAD têm sido nos pilares de grandes edifícios, estruturas marítimas e de grandes pontes. Em contrapartida, o CAD ainda representa um pequeno volume no mercado de concreto, os produtores de cimento não estão interessados em investir demais na modificação dos seus processos de produção. Além disso, em um dado lugar, a seleção de materiais no CAD será sempre limitada por considerações econômicas porque, com a 2 finalidade de permanecer tecnicamente competitivo com o concreto usual, os custos de produção do CAD terão que ser tão baixos quanto possível (AÏTCIN, 2000). 1.1 JUSTIFICATIVA As propriedades do concreto, tanto no estado fresco como no estado endurecido, podem ser modificadas pela adição de certos materiais na dosagem, isso traz como conseqüência o enorme crescimento da indústria de aditivos e adições minerais nos últimos 40 anos. Em alguns países não é incomum o fato de que 70 a 80% de todo o concreto produzido contenha um ou mais aditivos; assim é absolutamente importante que os engenheiros civis estejam familiarizados acerca dos aditivos e adições comumente empregados, juntamente com suas aplicações e limitações. Em se tratando das propriedades do concreto, a resistência é umas das mais importantes. A escolha de se abordar a resistência à compressão do concreto de alto desempenho se dá ao fato de que é a propriedade imposta pelas normas técnicas. É geralmente especificada em projetos. O concreto em estudo será o concreto de alto desempenho, pois o mesmo se engloba nas características acima comentadas, ou seja, uso de aditivos e adições na dosagem para se conseguir melhoria de algumas propriedades, em especial a resistência. Os aditivos que serão discutidos serão os superplastificantes, enquanto que as adições minerais serão as sílicas ativas. Dessa forma, este trabalho se embasa em apresentar dados que verifiquem a eficiência do superplastificante juntamente com a sílica ativa na dosagem do concreto de alto desempenho. O concreto de alto desempenho está evoluindo muito rapidamente, pois os engenheiros civis sempre vêm buscando um concreto com propriedades melhoradas (resistência, durabilidade, etc.), justificando assim o estudo mais aprofundado sobre essa nova tecnologia do concreto. 3 1.2 OBJETIVOS 1.2.1 Objetivo Geral Realizar um estudo sobre a propriedade de resistência à compressão do concreto de alto desempenho. 1.2.2 Objetivo Específico Estudar os efeitos dos teores de superplastificante na propriedade de resistência do concreto de alto desempenho. 1.3 METODOLOGIA Será apresentada uma revisão bibliográfica acerca do tema do trabalho, buscando abordar de forma clara e objetiva os capítulos do trabalho. Serão realizados ensaios de laboratórios de compressão de corpos-de-prova (CP) cilíndricos de concreto, regidos pela norma NBR 5739/2007 da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), além de ser apresentada a caracterização dos materiais componentes do concreto. Os resultados obtidos serão apresentados em tabelas mostrando a resistência obtida para idade de 28 dias. 4 O fechamento do trabalho se dá através de uma conclusão, comentando os resultados obtidos assim como discutindo toda a literatura apresentada na revisão bibliográfica. 1.4 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA Este trabalho está dividido em 5 capítulos. No capítulo 1 é feita uma introdução à monografia, destacando-se sua justificativa, seus objetivos, estrutura e limitações. No capítulo 2 é apresentada a revisão bibliográfica sobre concreto de alto desempenho, iniciando-se com histórico e definições, seguindo com a estrutura do concreto e seus materiais constituintes, assim como sua dosagem. Neste capítulo, também é feita a revisão bibliográfica das principais propriedades do concreto endurecido, com ênfase na resistência à compressão axial. No capítulo 3 é apresentado o programa experimental da monografia, com a descrição do planejamento e da metodologia empregada para a execução dos ensaios, iniciando com a seleção e caracterização dos materiais empregados, seguida do método de dosagem utilizado e ensaio de resistência a compressão. No capítulo 4 são analisados e comentados os resultados do ensaios, utilizando a revisão bibliográfica para verificar a confiabilidade dos resultados. No capítulo 5 apresentam-se as considerações finais e conclusões baseadas nesta monografia, assim como sugestões para futuras pesquisas. 1.5 LIMITAÇÕES DA PESQUISA 5 A pesquisa experimental que tem por objetivo estudar o comportamento do concreto está sujeita a sofrer algum tipo de limitação. Primeiro, porque hoje em dia são escassos os recursos financeiros e humanos destinados à pesquisa. Segundo porque são inúmeros os fatores que influenciam as propriedades desse material, tais como: relação água/cimento; consumo e tipo de cimento; traço; tipo e quantidade de adições minerais e aditivos; granulometria e dimensão máxima característica do agregado graúdo e do agregado miúdo; grau de hidratação do cimento; moldagem; tipo de cura, entre outros. A variável dependente nesse trabalho foi a propriedade de resistência à compressão.Os fatores controláveis considerados mais importantes em função da variável dependente, e dentro das limitações de um trabalho final de curso foram a proporção de superplastificante e a relação a/c. Essa escolha foi feita em virtude desses fatores exercerem influência significativa no aumento da resistência à compressão. A escolha do ensaio de resistência à compressão foi determinada pela sua importância e relevância, e pela limitação do trabalho em função de disponibilidade de tempo e do uso do laboratório. 6 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 HISTÓRICO DO CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO O concreto de alto desempenho, inicialmente, surgiu em meados dos anos 60, na cidade de Chicago nos Estados Unidos (EUA). Desde aquela época, até alguns anos atrás, o CAD era chamado de concreto de alta resistência, pois sua produção só visava aumentar a resistência à compreensão. No entanto, essa denominação deixou de ser usada, pois o CAD além de aumentar a resistência do concreto, contribui com outras propriedades que são agregadas a ele, tais como: durabilidade, baixa porosidade, etc. Na cidade de Chicago, um grupo de projetistas e produtores de concreto propôs lançar o concreto de alta resistência. Naquela época o concreto comumente usado pela indústria da construção tinha uma resistência à compressão de apenas 15,0MPa a 30,0MPa. Nesse período os produtores de concreto contavam apenas com aditivos redutores de água baseados em lignossulfonatos (que variavam em composição e pureza) e de adições tipo cinza volante, os quais eram utilizados na dosagem do CAD. Apesar desses inconvenientes de não dispor de materiais inovadores para a dosagem do CAD, esses tinham ganhos de resistência que variavam de 10,0MPa a 15,0MPa (AÏTCIN, 2000). Nos últimos 20 anos, estudos intensivos sobre CAD têm sido realizados em diversos países, com o intuito de fornecer aos engenheiros as informações necessárias sobre suas propriedades, bem como dar subsídios para adaptação das normas de concreto às características diferenciadas desse novo material (MENDES, 2002). Aos poucos o CAD vem se tornando uma linha de pesquisa vasta na área de materiais, atualmente a bibliografia sobre o tema é bastante ampla. Vários congressos, seminários, encontros têm sido promovidos em vários países para divulgação e discussão de trabalhos de diversos pesquisadores sobre o CAD. 7 No Brasil um dos principais prédios construídos com o CAD é o E-Tower, com fck de projeto de 80,0MPa, sendo que alguns pilares atingiu-se 125,0MPA. Fica localizado na cidade de São Paulo (Figura 2.1). Figura 2.1 – E-Tower, prédio da cidade de São Paulo construído com CAD. Fonte: http://www.basf-cc.com.br/novo/imagens/projetos/id23/foto01.jpg. Acesso em 20/08/2009. Na Bahia uma das principais aplicações do CAD, foi a construção do edifício Suarez Trade Center, localizado na cidade de Salvador, onde os pilares centrais atingiram 60 MPa de resistência. Atrelado ao aumento da resistência, o CAD incorporou vantagens no seu uso, reduzindo os custos em termos de diminuição das peças concretadas e conseqüentemente o ganho de espaço nas edificações. Na mesma cidade de Chicago, a resistência à compressão do concreto usado em edifícios, cresceu progressivamente durante um período de 10 anos, passando de 15,0MPa a 30,0MPa para 45,0MPa a 60,0MPa (AÏTCIN, 2000). A Figura 2.2 mostra a altura de edifícios nos EUA construídos com CAD. 8 Figura 2.2 – Performance do CAD nos arranha-céus dos EUA. Fonte: Aïtcin (2000) 2.2 CONCEITO O CAD é o tipo de concreto que têm resistência à compressão maior que 40,0MPa (embora ainda não exista um consenso na literatura técnica). Na dosagem do CAD, procura-se atingir uma baixa relação água/cimento, o que irá resultar na sua alta resistência característica. Na obtenção de concretos de alto desempenho, sempre são utilizados aditivos e adições. Algumas características são alcançadas pelo CAD, tais como: alta resistência à compressão, baixa permeabilidade, menor consumo de água, menor consumo de cimento, menor consumo de agregados, entre outras. É quase impossível, na prática, conseguir CAD sem a utilização das adições minerais, especialmente nas faixas de resistência acima de 40,0MPa. Essa discussão liga-se às peculiaridades do concreto. O CAD em geral tem como característica essencial a baixa relação água cimento, entre 0,25, e no máximo em torno de 0,40, o que exige a utilização de aditivos superplastificantes, para propiciar aumento da resistência e trabalhabilidade ao concreto (MEHTA, 1994). 9 Os concretos de alto desempenho contêm os seguintes materiais: agregados comuns, cimento Portland comum, adição mineral (sílica ativa, fumo de sílica, cinza volante, escória granulada de alto forno), geralmente entre 5% a 15% da massa de cimento, e sempre um superplastificante. O teor de superplastificante é alto, 5 L a 15 L por m³ de concreto. Segundo Neville (1997), esse teor de aditivo permite a redução do teor de água de 45 L/m³ a 75 L/m³ de concreto. O autor considera concretos de alto desempenho aqueles cuja relação água/cimento seja inferior a 0,35. O emprego de aditivos como superplastificantes, combina-se às vantagens da sílica ativa para propiciar concretos cujas características vão além da elevada resistência; na verdade, o CAD pode agregar durabilidade, esbeltez e menor custo às obras, que são motivos suficientes para que se descubram as vantagens técnicas do material, contribuindo na economia e racionalidade das obras. As vantagens do CAD com relação ao concreto convencional são evidentes. As estruturas de concreto produzidas com concreto convencional têm área em torno de duas vezes maior que a das estruturas, executadas com CAD. Ou seja, a opção gera ganhos econômicos significativos. Aïtcin (2000) classifica os concretos de alto desempenho pelos seus devidos valores conforme Tabela 2.1: Tabela 2.1 - Classes diferentes de Concreto de Alto Desempenho. Fonte: Aïtcin (2000) Classe do Concreto Resistência à Compressão (MPa) Classe I 50 – 75 MPa Classe II 75 – 100 MPa Classe III 100 – 125 MPa Classe IV 125 – 150 MPa Classe V Maior que 150 MPa 10 2.3 ESTRUTURA DO CONCRETO O concreto é um compósito que consiste essencialmente de um meio aglomerante, dentro do qual estão mergulhadas partículas ou fragmentos de agregados. O meio aglomerante é formado por uma mistura de cimento e água. Após o endurecimento do concreto sua estrutura fica dividida em três fases: agregado, pasta de cimento e zona de transição. Barata (1998) afirma que o CAD se diferencia do concreto convencional pela microestrutura densa, homogênea e pouco cristalina. Na Figura 2.3, observa-se que apenas duas fases do concreto são facilmente distinguidas, os agregados de tamanho e forma variados, e o meio ligante, composto de uma massa contínua da pasta endurecida. Mehta (1994) comenta que a nível macroscópico, o concreto pode ser considerado como um material bifásico, consistindo de partículas de agregado dispersas em uma matriz de cimento. Figura 2.3 – Seção polida de um corpo-de-prova de concreto. Fonte: Mehta (1994) 11 2.3.1 Agregado A fase agregado é predominantemente responsável pela massa unitária, módulo de deformação (que afeta a retração), resistência à abrasão, durabilidade e estabilidade dimensional do concreto endurecido. O agregado não tem influênciadireta sobre a resistência do concreto (concretos usuais), tem apenas papel secundário, em alguns casos onde se tem agregados porosos e fracos, a sua porosidade e composição mineralógica afetam na resistência à compressão, dureza, módulo de deformação, que por sua vez influenciam várias propriedades do concreto endurecido contendo o agregado (MEHTA, 1994). Comparando concretos preparados com agregados diferentes, pode-se observar através dos ensaios que a influência sobre a resistência do concreto é qualitativamente igual, quaisquer que sejam as proporções da mistura. É possível que a influência do agregado na resistência do concreto seja devida não somente a resistência mecânica do agregado, mas também, e muito significativamente, à sua absorção e a características da aderência. Quando a zona de transição entre a pasta e o agregado é melhorada, a transferência de tensões se torna mais eficaz. No entanto, as propriedades mecânicas dos agregados tornam-no mais frágil, limitando a resistência do concreto. Durante o processo de britagem, os agregados são microfissurados. O número de microfissuras será maior nas partículas maiores, conseqüentemente, na prática, é comum usar partículas menores (10 a 14 mm de diâmetro nominal) para o CAD, pois possuem menores fissuras internas, dando maior resistência ao concreto (PRICE, 2003). 12 2.3.2 Pasta de cimento Esta fase é o resultado da reação química dos minerais do cimento com a água. Sua importância na dosagem do concreto é, principalmente, agir como substância aglomerante. A pasta de cimento tem influência nas propriedades do concreto, como, resistência, estabilidade dimensional e durabilidade, onde são influenciadas não somente pela proporção da pasta, mas também dos aspectos microestruturais (tipo, quantidade e distribuição de sólidos e vazios) (MEHTA, 1994). Segundo Price (2003), a resistência da pasta de cimento é em função da relação a/c, sendo também limitada pela porosidade. A fim de melhorar a resistência da pasta, os poros devem ser minimizados. 2.3.3 Zona de transição Localiza-se no contato das partículas de agregado graúdo com a pasta de cimento. Apesar de ser constituída dos mesmos elementos da matriz da pasta de cimento, possui estrutura e propriedades diferentes, sendo mais frágil, pois é nessa fase em que ocorre a ruptura do concreto (MEHTA, 1994). Esta fase é caracterizada por uma alta porosidade. Quando se analisa as fraturas do concreto, observa-se que a falha ocorre na própria pasta ou, mais freqüentemente, na interface entre a pasta e o agregado. Se a zona de transição é fraca, a resistência do concreto será baixa (PRICE, 2003). 13 2.4 MATERIAIS CONSTITUINTES DO CAD Aïtcin (2000) afirma que a seleção dos materiais é um problema porque os cimentos e os agregados disponíveis apresentam grande variedade de composição e propriedades, e não existe uma sistemática clara que permita escolher facilmente os materiais constituintes, além da diversidade de aditivos químicos e adições minerais disponíveis no mercado. 2.4.1 Cimento Segundo Aïtcin (2000), a composição do cimento é oriunda da queima de uma mistura bem proporcionada de matérias-primas contendo os quatro óxidos principais – CaO, SiO2, Al2O3 e Fe2O3 – que produz o clínquer, um dos principais ingredientes básicos exigidos para fabricar o cimento Portland. Para o autor, a primeira escolha a ser feita quando se vai produzir um concreto de alto desempenho é, definitivamente, a do cimento, ainda quando um ou dois materiais cimentícios suplementares venham a ser usados, porque o desempenho do cimento em termos de reologia e de resistência torna- se um item crítico à medida que a resistência à compressão almejada aumenta. A escolha do cimento mais adequado para produção de CAD é extremamente importante, uma vez que este material influência tanto a resistência da pasta quanto a aderência pasta-agregado. No entanto, para a seleção final do cimento mais adequado, além se suas propriedades mecânicas, outra três características devem ser levadas em consideração: sua finura, sua composição química e sua compatibilidade com os aditivos. Em termos de finura, quanto maior for a superfície específica, em contato com a água, mais rapidamente ocorrerá a hidratação do cimento, aumentando-se sua resistência à compressão, principalmente nas primeiras idades. Por outro lado, quanto mais fino o cimento, maior a dosagem de superplastificante necessária para alcançar a mesma 14 trabalhabilidade, uma vez que o desempenho do aditivo é influenciado diretamente pela finura do cimento (AÏTCIN, 2000). Em relação à composição química, Mendes (2002) apud Aitcin e Mehta (1990), recomendam, preferencialmente, o cimento Portland comum e aqueles com maior teor de C3S e C2S, compostos que contribuem para a resistência do concreto. No entanto, Barata apud Mehta (1996) acrescenta que elevados teores desses compostos podem incompatibilizar o uso do cimento com determinado superplastificante. 2.4.2 Agregados Diferentemente dos concretos convencionais, a seleção de agregados particularmente resistentes é necessário. A seleção do agregado graúdo é importantíssima para a produção do concreto de alto desempenho. Segundo Price (2003), a seleção dos agregados é muito mais crítica para o CAD do que para os concretos convencionais. Geralmente, verifica-se apenas se as exigências de desempenho para as normas de agregado estão sendo atendidas. No concreto de alto desempenho, a pasta de cimento e a zona de transição podem ser tão resistentes do que os agregados graúdos, caso estes não forem suficientemente resistentes, tornando-se o elo mais fraco dentro do concreto. Segundo Bauer (2000), nos concretos de alto desempenho (fck da ordem de 50,0 a 70,0 MPa), a resistência dos grãos do agregado pode ser insuficiente, rompendo-se o concreto por fratura dos grãos, mesmo com agregado graúdo provindo de granito. Nestes casos, é preciso dar atenção especial à escolha do agregado. A resistência, o tamanho e a forma dos agregados devem ser compatíveis com a matriz, sendo fundamental, no caso de CAD, que estes fatores sejam bem avaliados, evitando- se os efeitos indesejáveis de problemas na zona de transição. 15 Segundo Neville (1997), as dimensões ideais dos agregados graúdos situam-se entre 10,0 mm e 19,0 mm. Quanto menor o agregado, menor a superfície capaz de reter água durante a exsudação do concreto fresco, o que propicia uma zona de transição de menor espessura e conseqüentemente mais resistente. As areias quartzosas bem graduadas, por sua vez, são as mais recomendadas também para a produção do CAD. Os agregados usados para fazer um concreto de alto desempenho são areia natural e brita. Se o concreto de alto desempenho é feito com brita, o seu processamento leva as partículas individuais contendo a concentração mínima possível dos elementos fracos (AÏTCIN, 2000). 2.4.2.1 Agregado graúdo A forma dos agregados graúdos deve ser equidimensional (não alongadas) e, a classificação deve ser uniforme, não havendo muita separação em frações finas e grossas. A máxima dimensão do agregado graúdo variando de 10 a 14 mm é geralmente selecionada, embora agregados até 20 mm podem ser utilizados se forem resistentes e desprovidos de muitas fraturas (PRICE apud AÏTCIN e MEHTA, 1990). Aïtcin (2000) recomenda que a seleção do agregado graúdo seja feita após um exame cuidadoso da mineralogia e da petrografia, paraassegurar que as partículas são resistentes o suficiente para evitar a ruptura precoce no CAD. Para os agregados graúdos, é imprescindível a observação de alguns fatores que são extremamente relevantes na escolha, pois suas propriedades mecânicas influenciam diretamente as propriedades do CAD. Petrucci (1980) chama a atenção para a absorção do agregado graúdo, pois está diretamente relacionada com a sua porosidade. Neville (1997) acrescenta que a porosidade e a permeabilidade do agregado exercem influência na resistência e na durabilidade do concreto.. 16 No entanto, para Guimarães (2002), é sempre cabível a consideração de que, para qualquer que seja o agregado graúdo, existirá um valor crítico da relação água/ aglomerante, abaixo do qual, qualquer redução adicional deste fator não resultará em aumento significativo da resistência à compressão. A partir deste ponto, o agregado graúdo passa a constituir o elo mais vulnerável do concreto. 2.4.2.2 Agregado miúdo Os agregados miúdos para o CAD devem ser selecionados, no intuito de reduzir a demanda de água. A granulometria ótima do agregado miúdo está mais associada a quantidade de água que absorverá na mistura do que suas próprias características físicas. Sempre que possível as partículas de agregado devem ser arredondadas. O material pulverulento contendo siltes e argilas deve ser mantido tão baixo quanto possível. Aceita-se na prática utilizar um agregado miúdo com alta dimensão característica, o que seria normal para o concreto estrutural convencional (PRICE apud AÏTCIN, 1998). Para Aïtcin (2000), sempre que possível, o agregado miúdo selecionado deverá ter um módulo de finura de 2,7 a 3,0. Devido a uma razoável quantidade de material fino na mistura não há necessidade da areia ser tão fina do ponto de vista de segregação e trabalhabilidade. Então o uso de areias mais grossas leva a um pequeno decréscimo na quantidade de água na mistura, o que é vantajoso tanto do ponto de vista da resistência, como do ponto de vista econômico. 2.4.3 Aditivos São produtos químicos adicionados na dosagem do concreto, com o objetivo de melhorar determinadas características físicas e econômicas do concreto. São adicionados a mistura do concreto em teores não maiores que 5,0% em relação à massa 17 do cimento. Apesar de serem onerosos, os aditivos podem trazer economia nas dosagens de concreto, seja na redução do teor de cimento, na melhoria da durabilidade, ou na redução das peças de concreto, etc. Segundo Neville (1997), atualmente em muitos países um concreto sem aditivos é considerado uma exceção, sendo usado de forma crescente. Além de tornarem possível o uso de uma grande variedade de componentes na mistura. A compreensão de que as propriedades importantes do concreto, tanto no estado fresco quanto no endurecido, podem ser modificadas com vantagem pela aplicação de aditivos, deram tal impulso à indústria de aditivos que dentro dos 20 anos após o início do desenvolvimento da indústria nos anos 40, aproximadamente mais de 200 produtos diferentes foram comercializados em alguns países da Europa. Atualmente, a maior parte do concreto produzido em alguns países contém um ou mais aditivos (MEHTA, 1994). Neville (1997) ressalta que o uso dos aditivos não é a solução para a falta de qualidade dos outros ingredientes do concreto, para proporções não adequadas da mistura, ou para despreparo da mão-de-obra para transporte, lançamento e adensamento. 2.4.3.1 Aditivos redutores de água Tipo de aditivo, que tem a finalidade de reduzir a relação água/cimento, aumentando a resistência e trabalhabilidade do concreto. Devido a reações químicas, os redutores de água melhoram o processo de hidratação do cimento, fazendo com que o mesmo se distribua mais uniformemente no concreto, contribuindo com uma resistência maior. Segundo Neville (1997), esses aditivos reduzem o teor de água da mistura, geralmente entre 5,0% e 10,0%, às vezes até 15,0% em concretos com elevada trabalhabilidade. 18 2.4.3.2 Superplastificante Os superplastificantes são aditivos redutores de água especiais com efeitos mais intensos do que os comuns. Seu uso é considerado um dos mais importantes avanços na tecnologia do concreto, pois tem permitido, entre outros, a produção de concretos de alta resistência, duráveis e de concretos fluidos. Mehta (1994) define os superplastificantes como sendo aditivos redutores de água de alta eficiência por serem capazes de reduzir o teor de água de 3 a 4 vezes em um dado traço de concreto, quando comparados a aditivos redutores de água normais. Foram desenvolvidos nos anos 70 e têm já ampla aceitação na indústria da construção em concreto. Já Neville (1997) define superplastificantes como sendo polímeros orgânicos hidrossolúveis obtidos sinteticamente, usando um processo complexo de polimerização para obtenção de moléculas longas de elevada massa molecular. Mais eficazes que os redutores de água comuns, os superplastificantes podem reduzir o teor de água da mistura do concreto de 25,0% a 35,0%, bem como podem aumentar a resistência em poucas idades de 50,0% a 75,0%. Na mistura seu principal efeito é melhorar a distribuição das partículas de cimento, conseqüentemente melhora a hidratação, resultando no aumento da resistência do concreto para uma mesma relação água/cimento. Segundo Neville (1997), quando os superplastificantes são usados para reduzir o teor de água da mistura, a dosagem é de 5 a 20 l/m³ de concreto. O aumento da sistência é geralmente proporcional à diminuição na relação água/cimento. Com consumos de cimento maiores e relações água/cimento muito menores do que 0,45 é possível atingir taxas ainda maiores de desenvolvimento da resistência (MEHTA, 1994). 19 Segundo Collepardi et al. (1999) e Tobori (2005), os superplastificantes podem ser utilizados no concreto para três propósitos específicos e/ou combinações entre eles: aumentar a trabalhabilidade numa determinada mistura, a fim de melhorar algumas características do concreto; reduzir a quantidade de água, para um mesmo consumo de cimento e trabalhabilidade, a fim de reduzir a relação a/c, aumentando a resistência e melhorando a durabilidade; reduzir tanto a quantidade de água quanto de cimento, mantendo a mesma trabalhabilidade e resistência, a fim de evitar fissuras, retração e tensões térmicas causadas pelo calor de hidratação do cimento. Os tipos de superplastificantes mais comuns são: base de lignossulfonatos, base de malamina, base de naftaleno e base de policarboxilatos. Segundo Price (2003), todos têm sido utilizados com sucesso, individualmente ou em combinação. A dosagem dos superplastificantes pode ser muito elevada (até 3% da massa de cimento), a fim de alcançar a necessária funcionalidade. No mercado já existem os chamados superplastificantes de nova geração. São à base de policarboxilatos e éteres. Estes superplastificantes prolongam a trabalhabilidade do concreto, proporcionando o desuso de procedimentos antigos de avaliação de trabalhabilidade. Por exemplo, lançamento de apenas uma parte da dosagem, adições de superplastificantes comuns até obter a trabalhabilidade desejada. Dentre os superplastificantes, os lignosulfonatos são os mais conhecidos, produzindo concretos com resistência à compressão de cerca de 50,0 a 60,0MPa. Inicialmente, esse produto era quase sempre usado para fluidificar o concreto comum no canteiro de obras imediatamente antes do lançamento. Uma das principaisvantagens desses produtos, além da sua eficiência em fluidificar traços de concreto, era que eles podiam ser usados em dosagens muito mais altas do que os redutores de água anteriores, porque são produtos que não contêm impurezas (AÏTCIN, 2000). 20 À medida que o uso dos superplastificantes foi se tornando mais comum, percebeu-se que estes poderiam ser utilizados para reduzir a quantidade de água da mistura para um nível jamais experimentado. Esses superplastificantes são tão eficazes que hoje em dia é possível fazer o concreto fluido, tendo a relação água/cimento menor do que 0,30. O mecanismo de ação dos superplastificantes para Bauer (2000) ocorre da seguinte maneira: o aditivo é absorvido pelas partículas de cimento, fazendo com que as mesmas se tornem negativamente carregadas e mutuamente repulsivas. Devido a este efeito, as partículas de cimento são mais bem dispersas e a mistura, consequentemente, torna-se mais fluida. A escolha de um superplastificante bom e eficiente é crítica quando se faz concreto de alto desempenho, pois nem todos os tipos e marcas desses aditivos reagem da mesma forma com um determinado cimento. Problemas de compatibilidade podem algumas vezes ser enfrentados quando se usa o cimento e um superplastificante que estão cada um isoladamente atendendo às suas respectivas normas de recebimento (AÏTCIN, 2000). Descreve ainda que a dosagem de superplastificante mais eficiente pode ser encontrada rapidamente usando-se “tripla tentativa de teor de água”: usam-se as relações a/c menor, maior e intermediária, compatíveis com as exigências de resistência para fazer três traços com igual quantidade de material cimentício, mas diferentes quantidades de água. Esses traços experimentais são ensaiados quanto à resistência e perda de abatimento. Neville (1997) ressalta que a concentração de sólidos nos superplastificantes comerciais varia, de modo que a comparação do desempenho deveria ser feita com base na quantidade de sólidos e não na da massa total. O momento de colocação e a maneira como o aditivo é adicionado à mistura é fundamental para sua eficiência, e também para melhoria da consistência. O superplastificante age mais efetivamente se for adicionado alguns minutos depois após a colocação da água de amassamento (MENDES apud HSU et al, 1999). A adição de superplastificante (parcialmente ou totalmente) na água de amassamento reduz sua eficiência, possivelmente devido à absorção pelos agregados durante a mistura 21 (AÏTCIN, 2000). Embora alguns fabricantes de superplastificantes orientem adicioná- los à água de amassamento. O retardo da adição do superplastificante em 1 (um) minuto após o contato do cimento com a água de amassamento leva a uma mistura com abatimento cerca de 100% superior ao da mistura cuja colocação foi imediata, conforme mostra a Tabela 2.2. Em suma, a escolha dos superplastificantes é determinada, principalmente, em função do desempenho, compatibilidade com o cimento e dosagem (COLLEPARDI et al, 1999). Tabela 2.2 - Efeito do modo de adição dos superplastificantes SMF, SNF e CAE no slump de misturas de concreto de cimento Portland. Fonte: Collepardi (1999) ADITIVOS CONCRETOS TIPO DE ADITIVO DOSAGEM (% TEOR DE SÓLIDOS) MODO DE ADIÇÃO RELAÇÃO A/C SLUMP (mm) SMF 0,50 IMEDIATA 0,41 100 SMF 0,50 RETARDADA 0,41 215 SNF 0,48 IMEDIATA 0,40 100 SNF 0,48 RETARDADA 0,40 230 CAE 0,30 IMEDIATA 0,30 230 CAE 0,30 RETARDADA 0,39 235 2.4.4 Adições minerais São materiais silicosos finamente moídos, adicionados ao concreto em quantidades relativamente grandes, geralmente na faixa de 20,0 a 100,0% da massa de cimento Portland (MEHTA, 1994). Os benefícios derivados do emprego de adições minerais no concreto incluem melhora da resistência à fissuração térmica devido ao calor de hidratação mais baixo, aumento das resistências e da impermeabilidade por refinamento dos poros, e uma durabilidade maior ataques químicos (expansão álcali-agregado). 22 2.4.4.1 Sílica ativa A sílica ativa (ou microssílica) é um subproduto de fornos a arco e de indução das indústrias de silício metálico e ligas de ferro-silício. Comparando ao cimento Portland comum e as cinzas volantes, a sílica ativa apresenta distribuição granulométrica das partículas duas ordens de grandeza mais finas. Com isso, devido ao pequeno diâmetro de suas partículas (1,0 micrômetro) possui grande superfície específica (Figura 2.4), o que justifica alta demanda de água e exigência de plastificante; ainda que, melhora a trabalhabilidade por reduzir o tamanho e volume de vazios no concreto (MEHTA, 1994). Figura 2.4 – Sílica ativa vista por microscópio. Fonte: Mehta (1994) Sua adição associada à massa de cimento faz com que se obtenha aumento de desempenho do concreto. Tem partícula de dimensão média cem vezes menor que a do grão de cimento. A sílica ativa preenche os vazios da zona de transição do material cimentício/agregado, ao mesmo tempo que reage com a água e a portlandita disponível, aumentando a resistência do concreto (TÉCHNE, 2002). Price (2003), afirma que o papel das adições é muito mais significativo no CAD do que os concretos convencionais. Para produzir concretos de alto desempenho em níveis muito baixos de relação a/c (normalmente inferior a 0,30), sem necessidade de um elevado teor de cimento, é necessário o uso de superplastificantes. 23 A sílica ativa é um pó extremamente fino, ocupando vazios não preenchidos pelo cimento, permitindo assim a obtenção de concretos extremamente resistentes e duráveis. Conjuntamente com um agente redutor de água adicionados à mistura do concreto, a sílica ativa é capaz de produzir resistência elevada no concreto, tanto nas primeiras idades quanto nas idades posteriores. O ganho de resistência nas primeiras idades é devido a uma ligeira aceleração na hidratação do cimento Portland; o ganho de resistência nas idades finais é devido principalmente a reação pozolânica. Devido a sua finura, as partículas de sílica ativa podem preencher os vazios entre as partículas maiores do cimento, quando elas estão bem defloculadas na presença de uma dosagem adequada de superplastificante (AÏTCIN, 2000). A adição de sílica ativa reduz também, drasticamente, tanto a exsudação interna como superficial da mistura. Além disso, as partículas de sílica ativa têm um efeito fluidificante sobre traços com relação água/cimento muito baixa. A sílica ativa é quase indispensável ao CAD, uma vez que tem aproximadamente três vezes mais eficiência cimentícia do que o cimento Portland. Isto facilita a obtenção de alta resistência sem excessiva quantidade de cimento. Para ser eficaz, deve ser sempre usada em conjunto com um superplastificante. É normalmente adicionada à mistura proporções de 5,0 a 10,0% da massa do cimento (PRICE, 2003). A combinação desses diferentes modos de ação da sílica ativa no concreto resulta numa microestrutura muito densa, aumentando assim a resistência à compressão do concreto. Além disso, como a sílica ativa reduz a porosidade do concreto, a permeabilidade é reduzida. É válido observar que os fatores de eficiência da sílica ativa relacionados à permeabilidade do concreto são maiores do que para a resistência à compressão. Em compostos cimentícios, a sílica ativa atua de duas maneiras. A primeira é a reação química conhecida como reação pozolânica. A hidratação do cimento Portland produz muitos compostos, entre eles o silicato de cálcio hidratado (C-S-H) e o hidróxido de cálcio (CaOH). O gel de C-S-H é bem conhecidocomo sendo a fonte de resistência no concreto. 24 Quando a sílica ativa é adicionada no concreto fresco, ela reage quimicamente com o CaOH para produzir uma quantidade adicional de C-S-H, inclusive com características superiores, do ponto de vista de adesividade, àquele produzido pela simples hidratação do cimento Portland, aumentando a resistência à compressão e a resistência química. A zona de interface da pasta e do agregado é aumentada, resultando em altas resistências à compressão (MEHTA, 1994). A segunda função da sílica ativa é o efeito fíler. Como a sílica ativa de Fe-Si é cerca de 100 a 150 vezes menor que uma partícula de cimento, ela poderá preencher vazios criados pela água livre na matriz. Essa função, chamada empacotamento, refina a microestrutura do concreto, criando uma estrutura porosa muito mais densa (NEVILLE, 1997). Embora Isaia e Helene (1995), comentam que o uso de elevadas quantidades de sílica ativa é questionado, haja vista que podem possibilitar a despassivação da armadura do concreto devido a queda de reserva alcalina. 2.5 RELAÇÃO ÁGUA/CIMENTO É a relação entre a quantidade de água usada na mistura do concreto com a massa de cimento. A resistência à compressão, do concreto, depende do fator água/cimento, que, por sua vez, depende da distribuição granulométrica do agregado. A distribuição granulométrica deverá ser tal que permita uma mistura de máxima compacidade, compatível com a peça a concretar (BAUER, 2000). A relação água/cimento determina a porosidade da pasta de cimento endurecida em qualquer estágio de hidratação. Sendo assim, tanto o grau de adensamento como a relação água/cimento influenciam no volume de vazios do concreto (Figura 2.5). Segundo Neville (1997), misturas com relação água/cimento muito baixa e um teor de cimento muito alto, exibem uma redução de resistência quando se usam agregados com 25 grande tamanho. Assim, as idades mais avançadas, nesse tipo de mistura, uma relação água/cimento menor pode não resultar uma resistência alta. Figura 2.5 – Representação esquemática de duas pastas frescas de cimento com relação a/c distintas. Fonte: Aïtcin (2000) Para relações água/cimento abaixo de 0,30, aumentos desproporcionalmente elevados na resistência à compressão podem ser conseguidos para pequenas reduções na relação água/cimento. O fenômeno é atribuído, principalmente, à melhora significativa da resistência na zona de transição obtida para relações água/cimento muito baixas. Uma das explicações é que o tamanho dos cristais de hidróxido de cálcio diminui com a redução das relações água/cimento (MEHTA, 1994). A baixa relação água/cimento é necessária para produzir o CAD, além de que geralmente melhora a durabilidade do concreto. Quando dosado com sílica, constatam- se reduções significativas na permeabilidade e na infiltração de cloretos (PRICE, 2003). O aumento da resistência é obtido, principalmente pela redução drástica da porosidade da pasta de cimento hidratada. Essa redução de porosidade é obtida pela adição de mais cimento ao mesmo tempo em que se reduz a quantidade de água de mistura através do uso de superplastificantes e pela substituição de uma parte do cimento por um volume igual de material cimentício suplementar (por exemplo, a sílica ativa). 26 2.6 DOSAGEM DO CAD Segundo Neville (1997), ainda não foi desenvolvido um procedimento sistematizado de aplicação geral à dosagem de concreto de alto desempenho. As razões para isso incluem o fato de que até agora foram construídas poucas estruturas com concreto de alto desempenho (em relação aos concretos convencionais) e cada estrutura envolve materiais específicos e especialmente selecionados. Segundo Lintz et al. (2005), a dosagem do CAD é um pouco mais complicada do que a do concreto convencional. Embora o CAD utilize os mesmos componentes básicos, podendo entrar mais alguns complementares: superplastificantes, sílica ativa e eventualmente aditivos retardadores de pega. O CAD exige condições de produção e execução rigorosas, que deveriam ser padrão também para concretos convencionais, o que pouco ocorre, na prática. Conhecer as características de aditivos e adições ajuda a entender porque tanta preocupação. A sílica ativa propicia maior compacidade ao concreto, melhorando a aderência entre a pasta e os agregados graúdos devido à sua extrema finura, com diâmetro médio em torno de 19 mm. O excesso de impurezas na água pode provocar problemas na resistência, assim como o uso inadequado de aditivos (PRICE, 2003) A seleção dos materiais que vão ser usados na mistura deve ser bem cuidadosa, haja vista que os ingredientes adicionados de forma inadequada levam a perder o objetivo da dosagem, que é obter o concreto de alto desempenho. O concreto de alto desempenho deve ser produzido, transportado e lançado da mesma forma que o concreto usual. Quando as qualidades do cimento e do superplastificante estão sobre controle, os demais parâmetros críticos que devem ser verificados são a granulometria e a forma do agregado graúdo, assim como a granulometria da areia e seu teor de umidade. Os materiais cimentícios também deverão ser cuidadosamente controlados com a mesma atenção dispensada aos outros materiais mencionados. Qualquer falta de qualidade num dos insumos usados causará problemas, pois, no preparo do concreto de alto desempenho a margem de segurança não é grande. 27 Dois pontos são importantes a serem levados em consideração. Em primeiro lugar, com concreto de alto desempenho a resistência muitas vezes é necessária após 28 dias de idade; isso deve ser levado em conta na consideração do critério de resistência. Em segundo lugar, o que se necessita em um concreto de alto desempenho é um elevado módulo de deformação. Para esse fim, é essencial que se use um agregado com elevado módulo de deformação, mas também é importante que se escolha um material cimentício que resulte uma aderência particularmente boa entre as partículas de agregado graúdo e a matriz (MENDES, 2002). Os especialistas recomendam que o CAD seja produzido em centrais de concreto, pois exige controle rigoroso da massa dos materiais. Se a central estiver fora do canteiro, a mistura pode ser feita com todos os componentes exceto o superplastificante, que deve ser adicionado na última hora por ter efeito por tempo limitado. Por isso, deve-se dedicar especial atenção ao tempo de transporte desde a saída da usina até o local de aplicação (TÉCHNE, 2002). As vantagens técnicas e econômicas do CAD não diminuem o fato de que esse tipo de concreto precisa de cuidados bastante precisos e requer projetos específicos para sua dosagem. Exige, além do controle da qualidade do cimento, dos agregados e da dosagem dos aditivos; acompanhamento da execução na obra em que será utilizado. Como a necessidade de baixa relação água/cimento e o elevado consumo de cimento tenderiam a produzir uma mistura desuniforme, caso não fossem empregados aditivos redutores de água, esse balanceamento necessita de alguns cuidados prévios. Os superplastificantes, à base de lignossulfonatos, naftalenos sulfonados ou melamina, são a alternativa mais recente para reduzir em mais de 30% a quantidade de água (BARATA, 1998). O traço do CAD varia em função das especificações, da resistência, do tipo de armaduras, da dimensão dos agregados, entre outros detalhes. A qualidade do produto entregue às obras exige, por isso, controle bastante preciso dos seus componentes e ensaios laboratoriais, haja vista que cada obra exige um traçoespecífico que irá depender da sua aplicabilidade. 28 Segundo Price (2003), para uma boa dosagem de CAD é necessário manter uma consistente e baixa relação a/c juntamente com uma mistura eficaz. O controle rigoroso de todas as fontes de água na mistura é crítica. Estes incluem: 1- água adicionada à mistura; 2- partículas de sílica em suspensão na água da mistura; 3- umidade dos agregados, pois interferem na relação a/c; 4- outras fontes de água (transporte). 2.7 COMPATIBILIDADE ENTRE CIMENTO PORTLAND E SUPERPLASTIFICANTE Quando se usa um teor elevado de superplastificante para conseguir uma relação água/cimento muito baixa ou se não for possível a redosagem do superplastificante, é importante estabelecer uma combinação compatível de cimento e superplastificante (NEVILLE, 1997). Embora seja importante a compatibilidade entre o cimento e o aditivo também nos concretos correntes, nos concretos de alto desempenho, o teor muito baixo de água intensifica as consequências da falta de compatibilidade devido à disputa pela água para molhagem superficial pelos vários materiais e para o início da hidratação. Conforme o tipo de cimento adotado, há influência significativa na resistência, principalmente nas primeiras idades. 2.8 PROPRIEDADES MECÂNICAS DO CAD Este item descreverá algumas propriedades do CAD, porém com maior ênfase na resistência à compressão. 29 2.8.1 Concreto fresco Price (2003) comenta que no CAD, é normal a produção de elevada trabalhabilidade. Slump de 200 mm são comuns. Em relação ao adensamento, verificou-se que muitas vezes os CAD’s possuem maiores dificuldades de se adensarem do que os concretos convencionais. Como o teor de material cimentício do CAD é alto (em torno de 500 kg/m³), o calor de hidratação do concreto também é. É fato que, quando o calor de hidratação aumenta a resistência do concreto diminui. Dessa forma, se o CAD é utilizado em grandes volumes, é necessário precauções quanto aos efeitos térmicos (PRICE apud BAMFORTH e PRICE, 1995). 2.8.2 Concreto endurecido Aïtcin (2000) afirma que as diferenças entre o comportamento mecânico do concreto de alto desempenho e do concreto usual resultam de suas diferentes microestruturas. O CAD não necessariamente se comporta como um concreto mais resistente, porém na maioria dos casos isso acontece. 2.8.2.1 Resistência à compressão Resistência é a capacidade de o material resistir à tensão sem ruptura. A resistência é a propriedade mais importante do concreto, por isso é sempre especificada em projetos de estruturais. O concreto possui melhor resistência à compressão do que aos outros tipos de esforços (tração, flexão) (MEHTA, 1994). 30 Através dos dados da resistência, muitas outras propriedades do concreto, como o módulo de deformação, estanqueidade, impermeabilidade podem ser deduzidas. Apesar do concreto, na prática estar submetido a vários tipos de esforços, o esforço de compressão uniaxial é o mais importante, além de ser mais fácil de ensaiá-lo no laboratório. A resistência à compressão aos 28 dias determinado através de um ensaio padrão de compressão uniaxial, é aceita universalmente como índice geral da resistência do concreto. No Brasil, o ensaio é realizado de acordo com a NBR 5739/1997. O CAD é, obviamente, caracterizado por uma elevada resistência à compressão. Outra característica é que o ganho de resistência após os 28dias é freqüentemente pequeno. O aumento de resistência irá depender da dosagem dos materiais cimentícios do concreto (PRICE, 2003). A determinação da resistência à compressão pode ser uma medida de qualidade do concreto, visto que está relacionada com a estrutura interna do material. Assim, conhecendo-se o seu valor é possível obter uma estimativa do desempenho do concreto tanto em termos mecânicos como, indiretamente, a sua durabilidade. Por exemplo, o valor do módulo de deformação e da resistência à compressão (NEVILLE, 1997). No entanto, segundo Mehta (1994), a resistência à compressão está sujeita também a uma combinação de vários outros fatores, internos e externos, que podem afetar o resultado obtido dos ensaios, conforme ilustrado na Figura 2.6. 31 Figura 2.6 - Interação dos fatores que influenciam a resistência do concreto Fonte: Mehta (1994) 2.8.2.2 Fatores que afetam A resistência inicial à compressão do CAD pode demorar mais a desenvolver-se do que nos concretos convencionais devido ao tempo de início da reação de hidratação do cimento, que é um pouco mais demorada devido ao uso de superplastificantes. Como acontece em alguns casos, até mesmo a associação de plastificantes e retardadores, para viabilizar todo o processo de elaboração, transporte e lançamento contribui para que tal tempo se estenda. No entanto, a partir do momento em que se inicia a hidratação do cimento, a reação desenvolve-se rapidamente, sendo que resistências de 30,0MPa podem ser obtidas em até 24 horas, se os traços forem elaborados de forma satisfatória (MEHTA, 1994) A obtenção de resistências maiores nas primeiras horas torna-se muito difícil devido à perda rápida de abatimento. Para obtenção de dados comparativos, a data de 28 dias é a mais indicada para que testemunhos sejam ensaiados (AÏTCIN, 2000). 32 Para tanto, devem ser bem observadas as condições de cura, com sua devida influência nas amostras a serem ensaiadas. Corpos-de-prova submetidos a tempo demasiado de cura de imersão em tanques com água podem ter a penetração de certa quantidade de líquido em seu interior, que propiciem uma hidratação adicional, gerando um aumento de resistência à compressão nas regiões afetadas. Em contrapartida, Guimarães (2002) afirma que corpos de prova curados ao meio ambiente podem apresentar decréscimo de resistência, principalmente aqueles com sílica ativa, devido à secagem da camada externa que resulta em um gradiente de tensões que pode afetar os valores da resistência. Para Mehta (1994), os fatores que afetam a resistência à compressão são: Características e proporção dos materiais - Relação água/cimento Abrams enunciou, no início do século XX, a agora conhecida como Lei de Abrams, relacionando a resistência à compressão à relação a/c. A lei versa que para um mesmo grau de hidratação, a resistência da pasta depende essencialmente da relação a/c. Desta forma, para o CAD também funciona a relação de que quanto menor relação a/c, maior a resistência, como mostra a Tabela 2.3. Tabela 2.3 – Resistência à compressão do concreto de alto desempenho em função da relação água/cimento. Fonte: Aïctin (2000) Relação a/c Faixa de resistência à compressão máxima MPA 0,40 – 0,35 50 – 75 0,35 – 0,30 75 – 100 0,30 – 0,25 100 – 125 0,25 – 0,20 >125 33 - Ar Incorporado Dependendo da quantidade de ar incorporado à mistura, poderá obter-se um aumento ou diminuição da resistência. Em geral, o CAD sempre tem certa quantidade de ar aprisionado, em torno de 0,5% a 2,5%, ou pode-se incorporar algum. - Tipo de cimento Conforme o tipo de cimento adotado, há influência significativa na resistência, principalmente nas primeiras idades. - Agregados Embora sejam usados os agregados comuns em concretos de resistência muito alta, a resistência dos próprios agregados pode ser crítica. O critério da resistência do agregado é válido quando é necessária uma resistência elevada do concreto. No entanto, a resistênciadas partículas de agregado não é importante se o que se deseja do concreto de alto desempenho é uma alta resistência às primeiras idades. Em geral se usa agregado de boa qualidade. Segundo Neville (1997), para assegurar boa aderência entre as partículas de agregado graúdo e a matriz, essas partículas devem ser aproximadamente equidimensionais. Além de que, são essenciais a limpeza, a ausência de pó aderente e a uniformidade granulométrica do agregado. O agregado miúdo deve ser arredondado e ter granulometria uniforme, mas um pouco grossa, porque as misturas ricas usadas em concreto de alto desempenho têm um valor elevado de partículas finas. A resistência, o tamanho e a forma dos agregados devem ser compatíveis com a matriz, sendo fundamental, no caso de CAD, que estes fatores sejam bem avaliados, evitando- se os efeitos indesejáveis de problemas na interface matriz-agregado. 34 - Água de amassamento e aditivos O excesso de impurezas na água pode provocar problemas na resistência, assim como o uso inadequado de aditivos. Condições de Cura Entende-se pelo termo cura, como um conjunto de procedimentos que visa promover a hidratação do cimento, com controle do tempo, temperatura e condições de umidade, após o lançamento do concreto. Desta forma, percebe-se a influência do processo de cura adequado na resistência, evitando-se efeitos de retração por secagem com aumento excessivo da temperatura. Há uma grande importância do controle da temperatura nas primeiras 24 a 48 horas após o lançamento, para evitar tais efeitos. No entanto, cabe ressalvar que a elevação da temperatura não é função do teor de cimento, o que poderia levar a uma consideração errônea do problema, mas, sim, da quantidade de cimento que está sendo hidratada. Como no caso do CAD, o fator a/c é muito baixo, a falta de água torna um fator limitante na quantidade de cimento que é hidratada. Parâmetros de Ensaio Nos procedimentos de ensaio de resistência à compressão, os parâmetros essenciais para determinação da resistência do concreto são: as dimensões do corpo de prova, idade do corpo de prova e modalidade de aplicação de carga, isto é, se a taxa de carregamento é constante ou trata-se de um carregamento cíclico. Como já foi dito, no Brasil, os métodos de ensaio definidos pela ABNT para realização de tais testes estão regulamentados através da NBR 5739/2007. 35 2.8.2.3 Durabilidade É a propriedade que faz com que o concreto tenha a capacidade de resistir a ações do intemperismo, como ataques físicos (ex. abrasão), químicos e a qualquer outro processo de deterioração, durante sua vida útil para a qual foi projetado com um mínimo de manutenção possível (MEHTA, 1994). A durabilidade do concreto é largamente controlada pela sua permeabilidade. À medida que se reduz a permeabilidade, o concreto se torna mais resistente a ambientes agressivos. Isso ocorre de maneira mais acentuada quando se acrescenta adições minerais, pois a um refinamento da estrutura dos poros da matriz e da zona de transição (AÏTCIN, 2000). Não existe qualquer método padronizado de medir a durabilidade do concreto em geral. A durabilidade está relacionada com o desempenho a longo prazo de um determinado material, num determinado ambiente, sob determinadas condições de serviço. Então, para Aïtcin (2000), o que está faltando no CAD são casos de obras bem documentados do seu uso, com sucesso ou insucesso, pois o mesmo ainda é novo no mercado. Atualmente, o que se propõe para uma melhor durabilidade dos concretos, é a tentativa de aumentar a resistência aos ataques químicos externos. Isso é conseguido reduzindo a porosidade e a permeabilidade do concreto para reduzir ou diminuir a velocidade da penetração dos agentes agressivos. 2.8.2.4 Módulo de deformação O módulo de deformação ou de elasticidade constitui uma das propriedades mais importantes, devido à necessidade da determinação das deformações dos elementos estruturais existentes nos projetos. Tal conhecimento só é possível devido à avaliação da rigidez, traduzida através do módulo de deformação. 36 Atualmente, ainda é extremamente difícil a determinação de um valor para o módulo de deformação. Segundo Aïtcin (2000), o que o concreto de alto desempenho ganhou em qualidade, perdeu em simplicidade para determinação do valor desta propriedade que, dependendo do tipo de obra e do volume de concreto utilizado, caberia um estudo específico para a situação, avaliando-se o real módulo de deformação, com todos os materiais a serem utilizados. Desta forma, acredita-se poder otimizar o projeto em termos de modelo estrutural adotado e, consequentemente, custo para execução e futura manutenção. A princípio, sabe-se que o diagrama tensão versus deformação do concreto apresenta um comportamento não linear, devido a uma fissuração progressiva e de outros diversos fatores, dentre eles, os principais citados são exsudação, resistência da zona de transição e procedimentos de cura. Mesmo assim, é necessária uma estimativa do módulo de deformação do material para que seja viabilizado o conhecimento de tensões induzidas pelas deformações associadas aos efeitos ambientais para calcular as tensões, momentos e deformações em elementos estruturais (PRICE, 2003). 37 3 PROGRAMA EXPERIMENTAL A obtenção de misturas de CAD está associada à redução da relação água/cimento e, geralmente, à incorporação de aditivos como os superplastificantes, e adições minerais como a sílica ativa, a cinza volante, a cinza de casca de arroz, entre outras. O programa experimental foi definido com o objetivo de avaliar a influência dos teores de superplastificantes sobre a propriedade de resistência do concreto, sempre utilizando a sílica ativa na mistura. O desenvolvimento do programa experimental foi realizado no Laboratório de Materiais de Construção do Departamento de Tecnologia da Universidade Estadual de Feira de Santana. O programa experimental foi dividido em quatro etapas: seleção e caracterização dos materiais, definição dos traços unitários, produção e preparo das amostras e ensaio de compressão axial. 3.1 SELEÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAS A seleção dos materiais utilizados nesta pesquisa foi realizada de acordo com a disponibilidade dos mesmos na região. Os materiais foram utilizados de maneira como são fornecidos comercialmente, sem alterações em suas características iniciais, com exceção dos agregados que foram lavados para redução de pó. 3.1.1 Cimento O cimento utilizado foi o cimento Portland CP II Z 32 (NBR 11578, 1991) disponível comercialmente em Feira de Santana. Esse tipo de cimento é constituído de 76 a 94% de 38 clínquer mais gesso, de 0 a 10% de material carbonático e de 6 a 14% de pozolana. Este produto tem as especificações técnicas descritas nas Tabela 3.1 e 3.2. Tabela 3.1 - Exigências Físicas e Mecânicas. Finura Tempo de pega Expansibilidade Resistência à compressão (MPa) Resíduo na peneira 75mm (%) Área específica m²/kg Início (h) Fim (h) A frio (mm) A quente (mm) 1 dia 3 dias 7 dias 28 dias ≤12,0 ≥260 ≥1 ≤ 10 ≤5 ≤5 - ≥10 ≥20 ≥32 Tabela 3.2 – Exigências Químicas. Resíduo Insolúvel (%) Perda ao fogo (%) MgO(%) SO3 (%) CO2 (%) S (%) ≤16,0 ≤6,5 ≤6,5 ≤4,0 ≤5 - O ensaio de finura foi realizado conforme os procedimentos da NBR 11579/1991 - Cimento Portland –
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