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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE TECNOLOGIA Missão/FT: Formar e aperfeiçoar cidadãos e prestar serviços atendendo às necessidades tecnológicas da sociedade com agilidade, dinâmica e qualidade. Notas de Aula FT / UNICAMP CONCRETO - QUALIDADE, CLASSIFICAÇÃO E PROPRIEDADES Rogério Durante Luísa A. G. Barbosa Rosa C. C. Lintz Limeira-SP / 2017 2 2 1. INTRODUÇÃO O concreto é sem dúvida o material mais utilizado na construção. Composto basicamente de cimento Portland, areia, brita e água, tem emprego freqüente em estruturas, pavimentação, obras de arte, pré-fabricados, etc. Apesar de não ser tão resistente quanto o aço, o concreto é mais usado nas obras de engenharia por várias razões, dentre elas: Excelente resistência à água Ao contrário do aço e da madeira, o concreto pode ser empregado nas estruturas em contato com a água sem sofrer danos. Produzido com cimentos especiais resistentes à sulfatos (ABNT NBR 5737:1992), torna-se imune a ação de meios agressivos encontrados em efluentes industriais e esgotos domésticos. Facilidade de Moldagem No estado fresco, o concreto pode ser empregado para moldar peças estruturais de formas e tamanhos variados, fluindo com relativa facilidade pelas armaduras e fôrmas. Menor custo Os componentes básicos do concreto são de fácil obtenção e relativamente baratos resultando valores entre 25 e 40 dólares por tonelada, conforme a região. Além disso, o consumo de energia para a produção do concreto é baixo, se comparado à fabricação de outros materiais de engenharia. O concreto estrutural pode ser empregado isoladamente, sem reforços de armaduras e neste caso é chamado de concreto simples. Freqüentemente, nas estruturas, o concreto é empregado com reforço de armaduras, posicionadas criteriosamente ao longo das peças estruturais. Quando esta armadura é alojada nas peças estruturais sem prévio alongamento, temos o concreto armado e o desempenho da estrutura dependerá da aderência entre o concreto e armadura. Quando as armaduras introduzem tensões de compressão na estrutura, capazes de impedir ou limitar a fissuração e o deslocamento da estrutura tem-se o concreto protendido. 3 3 Concreto Simples Figura 1 – Estruturas de Concreto Simples Concreto Armado Figura 2 – Estruturas de Concreto Armado 4 4 Concreto Protendido Figura 3 – Estruturas de Concreto Protendido 2. QUALIDADE DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO Para que a estrutura de concreto possa atender as expectativas da fase de projeto é imprescindível que se adote um sistema de garantia da qualidade que defina os procedimentos, especificações e responsabilidades de todos os envolvidos na produção e utilização do edifício. Neste sistema devem ser considerados: 1. Planejamento 2. Projeto 3. Materiais e componentes 4. Armazenamento de materiais e componentes 5. Execução 6. Operação e Manutenção 2.1. Planejamento A estrutura de concreto deve permitir o alojamento das instalações (hidráulicas, elétricas, comunicações, ar condicionado, incêndio, etc.) segundo diretrizes pré-estabelecidas no projeto de arquitetura que determinará o tipo de estrutura com vigas, lajes planas, rigidez do conjunto, etc. 5 5 2.2. Projeto São necessárias recomendações que estabeleçam o padrão de detalhamento exigido (projeto, detalhamento, memoriais descritivos), as normas que deverão ser contempladas e exigências relativas à estrutura em estudo. Estas recomendações assim como as do planejamento devem orientar o projeto da estrutura e seu recebimento pelo contratante. 2.3. Qualificação dos Materiais Em relação aos materiais, devem ser empregados procedimentos para garantir a qualidade dos produtos utilizados na obra. A qualificação de fornecedores é indispensável antes da aquisição dos materiais e, nesta etapa, é recomendável exigir-se ensaios dos fornecedores que atestem a conformidade dos materiais. 2.4. Recebimento e armazenamento de materiais Após a qualificação dos fornecedores, inicia-se a aquisição de materiais e, nesta etapa, serão necessários documentos indicando os procedimentos exigíveis para o recebimento e armazenamento. Alguns materiais podem necessitar de ensaios laboratoriais para a liberação enquanto que, para outros, uma simples verificação visual pode ser suficiente para comprovar se o produto recebido atende às exigências mínimas. 2.5. Execução da Estrutura As recomendações quanto à execução das estruturas deverão contemplar as normas em vigor e as técnicas recomendadas para o emprego do concreto em estruturas. Devem ser definidos os ensaios exigíveis, as tolerâncias para desvios na execução, o nível de controle, as ferramentas empregadas para a execução e inspeção como: esquadro, fio de prumo, régua de nível, nível de mangueira, laser, etc. 2.6. Operação e Manutenção São necessárias recomendações que orientem o contratante na utilização adequada do edifício, prevenindo acidentes por ações inadvertidas e descrevendo as ações de manutenção necessárias, prolongando a vida útil da edificação. Estatísticas internacionais indicam que de 8 a 10% dos defeitos nas edificações decorrem do uso inadequado. Estes documentos devem incluir recomendações que facilitem os reparos estabelecendo os procedimentos necessários para garantir o funcionamento do conjunto do edifício. Devem estar ao alcance dos proprietários, usuários e administradores da edificação. 6 6 2.7. Segurança das Estruturas de Concreto A norma brasileira de concreto armado NBR 6118:2014 (Projeto de estruturas de concreto - Procedimento), fixa os requisitos básicos exigíveis para projeto de estruturas de concreto simples, armado e protendido, excluídas aquelas em que se empregam concreto leve, pesado ou outros especiais. Aplica-se às estruturas de concretos normais, identificados por massa específica (c) seca maior do que 2000 kg/m3, não excedendo 2800 kg/m3, do grupo I de resistência (C20 a C50) e do grupo I de resistência (C55 a C90), conforme classificação da ABNT NBR 8953. Estabelece os requisitos gerais a serem atendidos pelo projeto como um todo, bem como os requisitos específicos relativos a cada uma de suas etapas. Em relação a segurança das estruturas de concreto, esta Norma considera as resistências (f) e as ações (F) como variáveis aleatórias, admitindo-se uma distribuição estatística que resulta no valor característico. Para variáveis com distribuições complexas ou desconhecidas, adotam-se coeficientes de ponderações parciais. Tabela 1 – Valores dos coeficientes c e s Combinações Concreto c Aço s Normais 1,4 1,15 Especiais ou de construção 1,2 1,15 Excepcionais 1,2 1,0 Fonte: ABNT NBR 6118:2014 As ações são tratadas pelo coeficiente de ponderação f, e suas parciais são: f1 – que considera a variabilidade das ações; f2 – que considera a simultaneidade de atuação das ações; f3 –que considera os desvios gerados nas construções e as aproximações feitas em projeto do ponto de vista das solicitações. Na análise estrutural deve ser considerada a influência de todas as ações que possam produzir efeitos significativos para a segurança da estrutura em exame, levando-se em conta os possíveis estados limites últimos (ELU - estado limite relacionado ao colapso, ou a qualquer outra forma de ruína estrutural, que determine a paralisação do uso da estrutura) e os estados limites de serviço (ELS – que são aqueles relacionados à durabilidade das VARIÁVEIS ALEATÓRIAS f AÇÕES m RESISTÊNCIAS 7 7 estruturas, aparência, conforto do usuário e à boa utilização funcional das mesmas, seja em relação às máquinas e aos equipamentos utilizados). Os valores de cálculo Fd das ações são obtidos a partir de dos valores representativos, multiplicando-os pelos respectivos coeficientes de ponderação f. As ações devem ser majoradas pelo coeficiente f: f = f1. f2. f3 A resistência é tratada pelo coeficiente de ponderação m, e suas parciais são: m1 – que considera a variabilidade da resistência dos materiais envolvidos; m2 – que considera a diferença entre a resistência do material no corpo-de-prova e na estrutura; m3 – que considera os desvios gerados nas construções e as aproximações feitas em projeto do ponto de vista das resistências. Os coeficientes de ponderação das resistências englobam os materiais e a qualidade da execução da estrutura. As resistências devem ser minoradas pelo coeficiente m: m = m1. m2. m3 A resistência de cálculo fd é dada pela expressão: m k d f f A resistência característica do concreto ou aço corresponde ao quantil de 5% de uma distribuição normal de freqüências. Figura 4 – Distribuição normal de freqüências (curva de Gauss) Os corpos-de-prova são moldados e curados em condições padronizadas próximas das ideais e, portanto, suas resistências não correspondem exatamente a do concreto da RESISTÊNCIA CARACTERÍSTICA quantil de 5% de uma distribuição normal de freqüências 8 8 estrutura. A resistência à compressão dos corpos-de-prova mede o potencial da mistura empregada, traduzindo o máximo valor possível caso a manipulação e cura fossem ideais. As condições analíticas de segurança estabelecem que as resistências não devem ser menores que as solicitações e devem ser verificadas em relação a todos os estados limites e todos os carregamentos especificados para o tipo de construção considerado, ou seja, em qualquer caso deve ser respeitada a condição: Rd ≥ Sd Figura 5 – Simplificação do Modelo Semi-Probalístico conforme a NBR 6118:2014 9 9 3. CLASSIFICAÇÃO DO CONCRETO 3.1. Classe A NBR 8953:2015 (Concreto para fins estruturais - Classificação por grupos de resistência), aplica-se a concretos leves, normais ou pesados, misturados em canteiro de obra e dosados em central, no próprio local da obra ou fora dela, utilizados em elementos de concreto simples, armado ou protendido, bem como em elementos armados com perfis rígidos de aço. Segundo esta Norma, os concretos são classificados em grupos de resistência, grupo I e grupo II, conforme resistência característica à compressão (fck), determinada a partir do ensaio de corpos-de-prova preparados de acordo com a Norma NBR 5738:2016 (Concreto - Procedimento para moldagem e cura de corpos de prova), que prescreve o procedimento para moldagem e cura de corpos-de-prova de concreto, e rompidos conforme a Norma NBR 5739:2007 (Ensaio de compressão de corpos de prova cilíndricos), que prescreve um método de ensaio pelo qual devem ser ensaiados à compressão os corpos-de-prova cilíndricos de concreto. Tabela 2 – Classes de resistência do grupo I Tabela 3 – Classe de resistência do grupo II Grupo I de resistência Resistência característica à compressão (MPa) Grupo II de resistência Resistência característica à compressão (MPa) C10 10 C55 55 C15 15 C60 60 C20 20 C70 70 C25 25 C80 80 C30 30 C90 90 C35 35 C40 40 C45 45 C50 50 Fonte: ABNT NBR 8953:2015 Fonte: ABNT NBR 8953:2015 Os números referentes a cada classe indicam a resistência característica à compressão em MPa, para a idade de 28 dias. A Norma NBR 6118:2014 determina que para concretos com armadura passiva (concreto armado), o valor mínimo da resistência característica à compressão deve ser de 20 MPa, e naqueles onde há armadura ativa (concreto protendido), este valor não deve ser inferior a 25 MPa. Concretos C15 somente serão empregados em fundações e estruturas provisórias. 10 10 O concreto tem boa resistência às tensões de compressão e nas estruturas é responsável por resistir aos esforços que produzem compressão. Por esta razão, os projetos de estruturas especificam a resistência à compressão, que é obtida em laboratório através de ensaios de ruptura à compressão de corpos-de-prova cilíndricos (NBR 5739), moldados com o concreto coletado na obra, conforme a NBR 5738. Quando se fala da resistência de um concreto sem especificar a sua idade, deduz-se que o ensaio foi realizado aos 28 dias. A relação fcj / fc pode ser obtida da seguinte expressão, conforme NBR 6118: )))/28(1.(( 2/1ts c cj e f f Onde: s = 0,25 para concreto de cimento CPI e II; s = 0,38 para concreto de cimento CPIII e IV; s = 0,20 para concreto de cimento CPV-ARI t = idade efetiva do concreto, em dias. É denominado concreto de alta resistência ao concreto com classe de resistência à compressão maior do que C50, de acordo com a NBR 8953:2015. A evolução da resistência à compressão, em função da idade, pode ser estimada, em caráter orientativo, conforme a tabela abaixo: Tabela 4 - Relações fcj/fc , admitindo cura úmida em temperatura de 21ºC a 30ºC Cimento Portland IDADE (dias) 3 7 14 28 63 91 120 240 360 720 CPI – NBR 5732:1991 CPII – NBR 11578:1991 0,59 0,78 0,90 1 1,08 1,12 1,14 1,18 1,20 1,22 CPIII – NBR 5735:1991 CPIV – NBR 5736:1999 0,46 0,68 0,85 1 1,13 1,18 1,21 1,28 1,31 1,36 CPV – NBR 5733:1991 0,66 0,82 0,92 1 1,07 1,09 1,11 1,14 1,16 1,17 CPI - Cimento Portland Comum; CPII - Cimento Portland Composto; CPIII - Cimento Portland de Alto Forno; CPIV - Cimento Portland Pozolânico; CPV - Cimento Portland de Alta Resistência Inicial; 3.2. Massa Específica A massa específica dos concretos (normais) no estado sólido varia de 2000 kg/m3 a 2800 kg/m3. Usualmente, adota-se o valor de 2400 kg/m3, para efeito de cálculo, quando não se conhece a massa específica do concreto simples e, 2500 kg/m3 para o concreto armado. 11 11 Os concretos leves têm massa específica entre 800 kg/m3 e 2000 kg/m3 e podem ser aplicados em peças estruturais, enchimento de pisos, lajes e painéis pré-fabricados. Os concretos pesados têm massa específica maior que 2800 kg/m3 e são utilizados em câmaras de raios X ou gama, paredes de reatores atômicos, contra-peso, lajes de sub- pressão. 3.3. Composição Na composição do concreto endurecido encontram-seos sólidos da pasta de cimento, agregados, ar incorporado e água. A pasta de cimento representa de 25% a 40% do volume total do concreto sendo que o cimento constitui de 7% a 15% (220 Kg/m3 a 470Kg/m3) e a água de 16% a 21% (160 l/m3 a 210 l/m3). Os agregados constituem de 60% a 80% do volume do concreto e têm grande influência nas propriedades do concreto endurecido, exigindo cuidados relativos à suas propriedades (granulometria, forma dos grãos, absorção d’água) e impurezas presentes. Para se obter concreto com uma trabalhabilidade adequada, utiliza-se uma quantidade de água muito superior à necessária para a hidratação do cimento. Mas se o acréscimo de água melhora a trabalhabilidade do concreto fresco, por outro lado, reduz a resistência à compressão, aumenta a permeabilidade, fator este que reduz a durabilidade do concreto endurecido. O ajuste preciso da quantidade de água utilizada no amassamento do concreto é de fundamental importância para se obter um concreto de boa qualidade. Figura 6 – Composição do Concreto 12 12 4. PROPRIEDADES DO CONCRETO ENDURECIDO 4.1. Resistência do Concreto 4.1.1. Determinação da Resistência à Compressão A resistência à compressão, como já abordamos anteriormente, é a propriedade de maior interesse no estudo e aplicação do concreto em estruturas. Ela é determinada através de ensaios de corpos de prova (CP) cilíndricos. A altura do CP deve ser o dobro do diâmetro e o diâmetro deve ser de 10 cm, 15 cm, 20 cm, 25 cm, 30 cm ou 45 cm, conforme a norma NBR 5738:2016 (Concreto - Procedimento para moldagem e cura de corpos de prova). O valor da tensão de ruptura à compressão (fc) dos corpos-de-prova é obtido pela expressão: A P fc Onde: fc - tensão de ruptura à compressão do CP, em (MPa) P - Valor da carga de ruptura, em (N) A - Área da seção transversal do CP, em (mm2) Figura 7 – Ruptura do Concreto à Compressão 4.1.2. Determinação da Resistência à Tração Embora a resistência à tração do concreto seja baixa (em torno de 10% da resistência à compressão) e até ignorada nos projetos de edificações, seu valor pode ser útil nos serviços em que estejam previstas retrações decorrentes de variação de umidade e temperatura. Na dificuldade de realizar um ensaio de tração direta (axial) no concreto, adotou-se o ensaio (figura 8) desenvolvido pelo engenheiro brasileiro Lobo Carneiro, conforme a NBR 7222:2011 (Argamassa e concreto - Determinação da resistência à tração por compressão diametral de corpos-de-prova cilíndricos). Sob a ação da carga vertical F, surgem tensões horizontais de tração, que são determinadas pela expressão abaixo: .. .2 , d F f spct Onde: fct.sp = resistência à tração por compressão diametral, em (MPa) F = força máxima obtida no ensaio, em (N) d = diâmetro do CP, em (mm) = comprimento do CP, em (mm) 13 13 Outro ensaio indireto que permite avaliar a resistência à tração do concreto é o ensaio de flexão de prismas. Utilizam-se dois tipos de carregamentos, como segue: O carregamento utilizado segundo a NBR 12142:2010 (Concreto - Determinação da resistência à tração na flexão em corpos-de-prova prismáticos), é o de dois pontos de carga, pois, todo o terço médio (central) fica sujeito ao momento fletor (M) máximo, consequentemente a tensão máxima estará acontecendo no terço médio onde deverá acontecer a ruptura (figura 10). A resistência à tração direta fct pode ser considerada igual a 0,9 fct,sp ou 0,7 fct,f, ou, na falta de ensaios para obtenção de fct,sp e fct,f, pode ser avaliado o seu valor médio ou característico por meio das seguintes equações, conforme NBR 6118: fctk,inf = 0,7 fct,m fctk,sup = 1,3 fct,m — para concretos de classes até C50: fct,m = 0,3 fck2/3 — para concretos de classes C55 até C90: fct,m = 2,12 ln (1 + 0,11 fck) Onde: Figura 8 – Determinação da Resistência à tração por Compressão Diametral Figura 9 – Formas de carregamento de prismas de concreto 14 14 fct,m e fck são expressos em megapascal (MPa). Sendo: fckj ≥ 7 MPa, estas expressões podem também ser usadas para idades diferentes de 28 dias. Calcula-se a resistência à tração na flexão pela seguinte expressão, conforme NBR 12142: 2, . . db F f fct Onde: fct f = resistência à tração na flexão, em (MPa); = distância entre cutelos de suporte, em (mm); F = força máxima obtida no ensaio, em (N); b = largura média do CP, em (mm); d = altura média do CP, em (mm). Neste ensaio, como se considera uma relação tensão de deformação linear ao longo de toda a seção da viga, os valores da resistência à tração obtidos, tendem a ser superestimados. Tabela 5 - Relação entre as resistências à compressão com a de tração na flexão e a de tração axial no concreto (Resultados Experimentais) Compressão Axial c (MPa) Tração na flexão Tração Axial (MPa) (% de c) (MPa) (% de c) 7,1 1,6 22,5 % 0,8 11,3 % 14 2,6 18,6 % 1,4 10,0 % 21 3,3 15,7 % 1,9 9,0 % 28 4,0 14,3 % 2,3 8,2 % 34 4,7 13,8 % 2,8 8,2 % 41 5,3 12,9 % 3,2 7,8 % 48 5,9 12,3 % 3,6 7,5 % 55 6,4 11,6 % 4,0 7,3 % 62 7,0 11,3 % 4,3 6,9 % Figura 10 – Determinação das tensões longitudinais na flexão de Prismas 15 15 O ensaio de flexão é utilizado com freqüência para o controle do concreto em rodovias e pavimentos de aeroportos, onde as solicitações de flexão são mais acentuadas que as de tração axial. 4.1.3. Forma de Ruptura do Concreto O carregamento do corpo-de-prova provoca o aparecimento de fissuras, cuja orientação segue a mesma orientação das tensões de compressão. Próximo aos pratos da prensa, por ação de forças de atrito, a ruptura ocorre em forma de cone. A ruptura real, sem ação das tensões de atrito criadas pelo contato dos pratos, seria conforme indica a figura abaixo. Tipo de Ruptura de Corpos-de-prova (ABNT NBR 5739:2007): Figura 12 – Tipo A – Cônica e cônica afastada 25mm do capeamento(1) Figura 13 – Tipo B – Cônica e bipartida e cônica com mais de uma partição(1) Figura 14 – Tipo C – Colunar com formação de cones(1) Figura 15 – Tipo D – Cônica e cisalhada(1) Figura 16 – Tipo E - Cisalhada(1) Figura 11 – Forma de Ruptura à Compressão do Concreto 16 16 Figura 17 – Tipo F – Fraturas no topo e/ou na base abaixo do capeamento(1) Figura 18 – Tipo G – Similar ao tipo F com fraturas próximo ao topo(1) (1) FONTE: ABNT NBR 5739:2007 17 17 4.2. Fatores que Influenciam na Resistência do Concreto Características e proporções dos materiais Condições de Cura Parâmetros de ensaio Agregado Tempo Corpo-de-prova Cimento Temperatura Carregamento Água de amassamento Condições de umidade Aditivos Relação água/cimento Mistura Transporte Lançamento Adensamento 4.2.1. Relação água/cimento A relação entre a quantidade de água e a quantidade de cimento utilizadosnum concreto é comumente conhecida como relação água/cimento. A resistência de um concreto depende principalmente da resistência da pasta, além da aderência da pasta ao agregado e outras propriedades de agregado. O excesso de água no concreto resultará numa pasta mais porosa e, conseqüentemente, em menor resistência à compressão, além de menor aderência entre a pasta e o agregado. Daí a importância da relação água/cimento no estudo da resistência do concreto. A expressão conhecida como lei de Abrams permite avaliar a resistência do concreto em função da relação água/cimento. x B A R Onde: R – Resistência à compressão do concreto A e B – constantes empíricas x – relação água/cimento Figura 19 – Relação água/cimento - resistência à compressão de cimentos 18 18 4.2.2. Influência do Adensamento O grau de adensamento exerce influência direta sobre o volume de vazios no concreto. Para um bom adensamento deve-se observar: - Energia de adensamento; - Duração da operação; - Problemas ligados a segre- gação e à exsudação. Figura 20 – Resistência à compressão X Relação água cimento e Adensamento 4.2.3. Influência da mistura Para que um concreto ofereça o máximo do seu potencial é necessário que todas as partículas dos materiais constituintes estejam dispersas na massa uniformemente, resultando em um concreto homogêneo. Isto só será possível se a mistura for feita de forma adequada. Para obter-se uma mistura satisfatória devemos atentar para: - eficiência do equipamento de mistura (tipo de misturador); - medidores dos materiais - (confiáveis); - tempo de mistura - (adequado); - velocidade de giro do misturador; - ordem de colocação dos materiais. 4.2.4. Influência do transporte O transporte deve ser feito o mais rapidamente possível, (evitando-se a segregação e perda de qualquer parte de material da mistura), para minimizar os efeitos de enrijecimento e perda de trabalhabilidade no momento do lançamento, espalhamento e adensamento do concreto. A demora nesta operação poderá comprometer a plasticidade, pois a água perdida na evaporação e a fixada nas reações de hidratação do cimento tornam a massa mais consistente. É importante o conhecimento da duração desta operação para se definir convenientemente a trabalhabilidade. 19 19 4.2.5. Influência do lançamento O lançamento do concreto deve ser feito de forma cuidadosa, o mais próximo possível de sua posição final, evitando-se a segregação dos seus materiais constituintes. Deve-se respeitar as peculiaridades de cada obra, atentando para a altura de queda, espessura das peças, densidade das armaduras e presença de água nos locais a serem concretados. É importante se fazer o plano de concretagem, mesmo em concretagens pequenas, precedendo o lançamento do concreto. Antes de iniciar o lançamento do concreto devem-se fazer inspeções nas fôrmas e nas ferragens. 4.2.6. Grau de Hidratação Na hidratação do cimento, os cristais originados constituem um sólido resistente chamado de gel de silicato de cálcio hidratado. O volume do produto de hidratação pode ser 100% maior que o volume do sólido de cimento, antes da hidratação. O resultado é que os fenômenos que conduzem ao endurecimento e à evolução da resistência do concreto provocam do entrelaçamento dos cristais que vão se expandindo dentro dos limites da pasta, com a evolução da hidratação. O grau de hidratação do cimento determina a porosidade da matriz (pasta) para uma dada relação água/cimento. Figura 21 – Modificações do volume do gel a partir da hidratação (Esquematicamente) 20 20 4.2.7. Tipo e Teor de Cimento O cimento é sem dúvida o componente que mais influi na resistência de um concreto. Dentre as características do cimento que interferem na resistência estão: • Finura (grau de moagem) • Composição química (adições: pozolana, escória e filler) Os grãos mais finos hidratam com mais velocidade influenciando nas resistências iniciais e pouco nas resistências em longo prazo. Os compostos C3A e C4AF hidratam primeiro mas pouco interferem na resistência do concreto. Já o C3S hidrata com maior velocidade, desenvolvendo a resistência nas primeiras idades. O C2S tem grande influência na resistência, mas de forma mais lenta. 4.2.8. Qualidade da Água Algumas impurezas presentes na água podem prejudicar a pega do cimento ou a resistência do concreto. Em geral, a água potável é considerada adequada à produção do concreto, desde que isenta de açúcar e citratos. A utilização de águas agressivas no amassamento do concreto deve ser estudada com cuidado, levando-se em consideração seus efeitos na pega do cimento, na resistência do concreto e na corrosão das armaduras. Para peças em concreto protendido, o emprego de água do mar é proibido. O pH recomendado para a água de amassamento deve estar entre 5 a 8. C4AF Ferro aluminato tetracálcio 4CaO . Al2O3 . Fe2O3 C3A Aluminato tricálcio 3CaO . Al2O3 C2S Silicato dicálcio 2CaO . SiO2 C3S Silicato tricálcio 3CaO . SiO2 Figura 22 – Influência dos compostos do cimento na evolução da Resistência à Compressão 21 21 4.2.9. Influência do Agregado Aderência da pasta/agregado A ligação entre a pasta e o agregado depende da textura superficial e da composição química de seus grãos. Sabe-se que grãos com maior rugosidade superficial aumentam a resistência à compressão e à flexão do concreto. Para agregados derivados de basalto, cuja composição apresenta maiores teores de sílica, obtém-se melhores resultados de aderência. Tamanho do Grão No quadro a seguir, observa-se a influência do tamanho do grão na resistência do concreto. Para concretos de elevada resistência à compressão, dimensão máxima acima de 38mm, pode conduzir a resultados desfavoráveis, principalmente porque grãos maiores têm menor área de contato agregado/pasta e, conseqüentemente, as tensões de contato são mais elevadas. A descontinuidade granulométrica é outra explicação para esta redução de resistência, por aumentar a heterogeneidade do concreto. Figura 23 – Resistência à compressão X Dimensão do agregado para consumos diferentes de cimentos Resistência do Grão Os agregados mais resistentes produzem, para uma mesma relação água/cimento, concretos mais resistentes. Módulo de Deformação do Grão Quanto maior a rigidez do agregado, maior será a parcela das cargas externas absorvidas por ele. Isto alivia o efeito das cargas externas sobre a pasta, resultando no aumento da resistência do concreto. 22 22 4.2.10. Influência da Idade A resistência do concreto cresce com sua idade, com velocidade distinta para cada tipo de cimento. Tabela 6 - Desenvolvimento da resistência para os cimentos CPII e CPIII IDADE (j dias) Coeficiente cj / c28 CPII CPIII 3 0,51 0,35 7 0,73 0,57 28 1,00 1,00 60 1,11 1,20 90 1,19 1,28 4.2.11. Influência da Cura A função da cura é manter o concreto saturado, ou o mais próximopossível da saturação, até que o espaço ocupado pela água da pasta do cimento tenha sido preenchido, no volume desejado, pelos produtos da hidratação do cimento. Em outras palavras, a cura representa todos os cuidados adotados para facilitar a hidratação do cimento, como o controle da temperatura e da umidade. A saturação completa do cimento Portland exige, de água, cerca de 40% do total de sua massa. Cerca de 23% desta água é quimicamente combinada para a formação dos chamados produtos de hidratação e o resto fica fisicamente absorvido na superfície das partículas do gel. Normalmente o concreto é feito com relação a/c superior a 0,4 e contém , por conseguinte, mais água do que á necessária para a hidratação do cimento. Conseqüentemente, nessas condições, a hidratação se processará ininterruptamente, desde que o concreto não venha a se ressecar. Observa-se que o progresso da resistência é função não apenas da idade, como também da temperatura a que se submete o concreto. Chama-se de maturidade a somatória do produto idade x temperatura, expressa em ºC horas ou ºC dias. Como mostra a equação abaixo a resistência é uma função da maturidade do concreto. fc = f( . t ) Onde: = temperatura em ºC t = tempo em horas ou dias 23 23 Uma alternativa para acelerar o desenvolvimento da resistência é a elevação da temperatura promovendo a cura do concreto com vapor. A temperatura tem efeito acelerador sobre as reações de hidratação. Existe ainda outros processos que podem elevar a temperatura para aumentar a resistência, como por exemplo: a combustão de gases, aquecimento elétrico e radiação infravermelha. 4.2.12. Influência dos aditivos Aditivos são substâncias químicas colocadas no concreto para um fim específico. São bem antigos, utilizados desde o Império Romano (há documentos comprovando a utilização de clara de ovo como impermeabilizante, sangue como incorporador de ar, argila e açúcares como retardador de pega, sal como acelerador de pega etc). A ABNT classifica os aditivos em 4 tipos principais: 1) Incorporadores de ar: Produzem micro-bolhas não unidas entre si, elevando a trabalhabilidade, aumentando a coesão e homogeneidade da mistura. Também melhoram a segregação e a impermeabilidade do concreto. Porém ocasionam uma perda de resistência mecânica. Obs.: A utilização de material pozolânico em conjunto com estes aditivos inibe a incorporação de ar (ex.: CP II Z e CP IV) 2) Retardadores: Aumentam o tempo de aplicação (aumentam o tempo para o início de pega). Utilizados em elementos estruturais de secções pequenas, em temperaturas elevadas, pois retarda a elevação do calor de hidratação do cimento. Eles apresentam desvantagens, tais como o aumento da retração e da exsudação do concreto. 3) Aceleradores: Diminuem o tempo de pega. São pouco utilizados, uma vez que boa parte dos aceleradores contém cloretos em sua composição (ABNT NBR 6118:2014 não permite o uso de aditivos contendo cloreto na sua composição em estruturas de concreto armado ou protendido). Reduzem um pouco a resistência mecânica em idades avançadas. 24 24 4) Plastificantes: Diminuem no mínimo 6% da água de amassamento, melhorando a trabalhabilidade e aumentando o slump (consistência) do concreto. Pode-se utilizar menos cimento mantendo resistência mecânica e trabalhabilidade. A desvantagem é o retardamento da pega em dosagens excessivas e o risco de segregação. 5) Há ainda o conceito de Superplastificantes, não descritos nas normas: Utilizado em CADs (concretos de alto desempenho de uma forma geral, diferentes dos concretos de alta resistência, onde apenas a resistência mecânica é analisada), pois diminuem em 30% a água de amassamento. São os mais recentes aditivos e estão em pesquisa para a produção de um concreto auto- adensável, muito fluído, onde são necessários finos para manter a coesão. 4.2.13. Influência relativa ao Ensaio Dentre os fatores que mais influenciam nos resultados de ensaios, destacam-se: • Moldagem dos corpos de prova • Tipo e dimensões dos corpos de prova (tabela 7 e figura 24) Na moldagem dos corpos-de-prova o adensamento inadequado é o grande responsável por desvios obtidos nos valores de resistência (NBR 5738:2016). No Brasil, os corpos-de-prova padrão para ensaios à compressão do concreto são cilíndricos com diâmetro de 15cm e altura de 30cm. Tabela 7 – Coeficiente de correção em função das dimensões do corpo-de-prova em relação ao corpo-de-prova cilíndrico (15cm x 30cm) 25 25 Figura 24 – Relação altura/diâmetro do corpo-de-prova cilíndrico X tensão de ruptura Outro fator importante para a precisão dos ensaios é o acabamento dos topos dos corpos- de-prova. A superfície que ficará em contato com os pratos da prensa deve ser plana e normal à geratriz do cilindro. Para a preparação das bases dos corpos-de-prova cilíndricos pode ser feita conforme a ABNT NBR 5738:2016 e/ou a ABNT NBR NM 77:1996 (Concreto - Preparação das bases dos corpos-de-prova e testemunhos cilíndricos para ensaios de compressão), que estabelece o método para a preparação das bases de: corpos-de-prova cilíndricos de concreto fresco, com pasta ou argamassa de cimento e corpo-de-prova cilíndricos de concreto endurecido e testemunhos cilíndricos de estruturas de concreto, por retificação ou capeamento. A retificação, consiste na remoção, por meios mecânicos, de uma fina camada das bases a serem preparadas. Esta operação é normalmente executada em máquinas especialmente adaptadas para essa finalidade, com a utilização de ferramentas abrasivas. A retificação deve ser feita de tal forma que se garanta a integridade estrutural das camadas adjacentes à camada removida e proporcione uma superfície lisa e livre de ondulações e 26 26 abaulamentos. Deve ser utilizado um dispositivo auxiliar, que garanta a perpendicularidade da superfície obtida com a geratriz do CP. Não pode haver falha de planicidade em qualquer ponto da superfície tratada que possa interferir na resistência potencial do concreto. O capeamento consiste no revestimento dos topos dos corpos de prova com uma fina camada de material apropriado, com as seguintes características: a) aderência ao CP; b) compatibilidade química com o concreto; c) fluidez, no momento de sua aplicação; d) acabamento liso e plano após endurecimento; e) resistência à compressão compatível com os valores normalmente obtidos em concreto. Deve ser utilizado um dispositivo auxiliar, denominado capeador, que garanta a perpendicularidade da superfície obtida com a geratriz do CP. A espessura da camada não pode exceder 3mm em cada base. Pode -se obter este acabamento utilizando-se uma mistura de enxofre (75%), caulim (20%) e grafite (5%) ou cimento e 5% a 10% de negro-de-fumo, utilizando-se um capeador apropriado como indicado na figura 25. Figura 25 – Capeador para corpos-de-prova cilíndricos Os parâmetros de carregamento (tipo de carregamento e velocidade de aplicação) também pode ter grande influência na resistência durante a execução do ensaio. Por isso, o carregamento de ensaio deve ser aplicado continuamente e sem choques, com a velocidade de carregamento de (0,45 ± 0,15)MPa/s. A velocidade de ensaio deve ser mantida constante durante todo o ensaio. O carregamento só deve cessar quando houver uma queda de força que indique sua ruptura. 27 27 4.3. Deformações do Concreto As variações do volume do concreto podem ser causadas por mudanças do teor de água, (higrométricas), reações químicas, variação de temperatura (térmicas) ou pela ação de cargas (mecânicas). 4.3.1. Retração A retração do concreto é a redução do volume de forma reversível ou não, em razão da redução do teor de água. Quando a retração ocorre no concreto ainda fresco, minutos após o adensamento (antes do início de pega), ela é chamada de retração plástica e freqüentemente é acompanhada por abertura de fissuras. A umidade do ar, a temperatura, a velocidade do vento e o volume da concretagem são fatores que influenciam neste tipo de deformação. Quando a retração resulta do movimento da água na pasta já endurecida (após a pega do concreto) é chamada de retração hidráulica podendo atingir valores da ordem de 800x10-6 para umidades relativas entre 25% e 50%. A finura do cimento, concentração dos agregados, relação água/cimento, condições de cura e as dimensões da peça concretada são fatores que influenciam neste tipo de deformação. A retração pode ocorrer, também, em razão da hidratação contínua do cimento, principalmente em grandes massas de concreto e em peças com dimensões transversais acima de 30cm. Este tipo de retração é chamado de retração autógena e atinge valores em torno de 400x10-6 até a idade de 60 dias, quando se estabiliza. A combinação do CO2, da atmosfera, com compostos hidratados do cimento, como o Ca(OH)2, resulta produtos sólidos de volume menor. Isto provoca a retração por carbonatação, que atinge valores em torno de 800x10-6. 4.3.2. Dilatação Térmica Como o coeficiente de dilatação térmica da pasta cimento é maior que o dos agregados, o coeficiente de dilatação térmica da mistura é tanto menor, quanto maior for a concentração dos agregados. Coef. Dilatação Térmica Pasta de cimento 11 a 20 x 10-6/ºC Agregado 5 a 13 x 10-6/ºC 28 28 4.3.3. Deformações devidas à ação de carregamentos Módulo de Deformação A relação entre a tensão de compressão aplicada ao concreto e a deformação decorrente é chamada de módulo de deformação e, expressa a sua rigidez. cE O diagrama tensão-deformação do concreto não é linear e seu módulo de deformação deve ser estimado, uma vez que é um parâmetro importante no projeto de estruturas de concreto. Dentre os fatores que influenciam no módulo de deformação do concreto estão: o módulo de deformação do agregado (figura 27), a concentração de agregado e a resistência do concreto. Figura 26 – Caracterização dos módulos de deformação Figura 27 – Tensão-deformação da pasta de cimento, do agregado e do concreto Módulo de Poison A relação entre a deformação transversal e a deformação longitudinal é chamada de coeficiente de Poison. Para o concreto a NBR 6118 recomenda o valor de 0,2, para as deformações elásticas. y xv 29 29 Onde: – Módulo de Poison x – deformação transversal y - deformação longitudinal Figura 28 – Módulo de Poison Fluência O aumento da deformação decorrente da ação de tensões constantes ao longo do tempo é chamado de fluência. Do mesmo modo que a retração hidráulica, a fluência é parcialmente recuperável. Quando se procede ao descarregamento (figura 29), observa-se uma redução instantânea da deformação devida à recuperação elástica. A recuperação instantânea é seguida de uma gradual redução de deformação com conseqüente recuperação da fluência. Figura 29 – Fluência de uma pasta de cimento e sua recuperação em equilíbrio higrométrico com o ambiente em que se encontra Dentre os fatores que contribuem para a fluência do concreto destacam-se: ▪ Temperatura elevada e baixa umidade relativa; ▪ Baixa resistência da pasta; ▪ Baixa concentração de agregados. 30 30 4.4. Permeabilidade do Concreto A permeabilidade pode ser definida como a facilidade com que um fluido pode escoar através de um corpo sólido. Tanto a pasta de cimento como os agregados têm alguma porosidade e, o próprio concreto contém vazios decorrentes da dificuldade de adensamento que variam de 1% a 10% da mistura. Sabe-se que o movimento da água através de uma parede de concreto ocorre pelo gradiente de umidade entre os dois lados, ou por efeito osmótico, e não apenas pela altura piezométrica. A permeabilidade é uma propriedade de grande importância na durabilidade das estruturas de concreto, particularmente naquelas em contato com a água. 4.4.1. Influência do grau de hidratação e da composição da pasta Para um mesmo grau de hidratação, a permeabilidade do concreto é menor quanto menor for a relação água/cimento (figura 30). Quanto maior o grau de hidratação da pasta, com o passar do tempo, menor o espaço disponível para o gel e, conseqüentemente, menor a permeabilidade (figura 31). Para que isso ocorra, é fundamental a cura do concreto. Figura 30 - Variação na porosidade capilar com relações água/cimento diferentes e 100% de hidratação 31 31 Figura 31 - Variação na porosidade conforme a hidratação do cimento para uma mesma a/c A composição do cimento tem influência na velocidade de hidratação e, somente neste aspecto afeta permeabilidade. Sabe-se que, para uma mesma relação água/cimento, cimentos com menor área específica produzem concretos com mais porosidade que cimentos mais finos. 4.4.2. Influência do agregado Se o agregado de um concreto tem baixa permeabilidade a área onde o fluxo de água pode ocorrer é reduzida e, sua presença prolonga o trajeto do fluxo, forçando-o a circunscrever as partículas do agregado, contribuindo para a redução da permeabilidade. Para reduzir o volume de vazios do agregado, granulometrias descontínuas são mais indicadas, embora possam produzir problemas em sua trabalhabilidade. Concretos impermeáveis podem necessitar de uma quantidade de finos maior que a usualmente tolerada nos concretos normais. Neste caso, deve ser estudado o teor de finos necessário, a forma de seus grãos e seu comportamento quando da adição da água. A adição de agregados aumenta a permeabilidade consideravelmente (pode aumentar ainda mais, quanto maior o agregado utilizado). Isto acontece devido à estrutura denominada zona de transição, que pode apresentar microfissuras, exsudar ou até mesmo segregar, aumentando a permeabilidade e, conseqüentemente, interferindo na durabilidade do concreto. 4.5. Durabilidade do Concreto 32 32 A durabilidade representa o tempo de vida útil de um material exposto a determinadas condições ambientais previstas e definidas em conjunto pelo autor do projeto estrutural e pelo contratante, no início dos trabalhos de elaboração do projeto. No caso das estruturas de concreto, estima-se queas edificações durem de 20 a 30 anos, até serem substituídas por outras. Já as obras como barragens, pontes e túneis, são projetadas e construídas para atingir acima de 100 anos. Por se tratar de um material alcalino, o concreto é atacado em meios ácidos. A própria atmosfera, nos centros urbanos, pode constituir um meio agressivo, uma vez que a concentração de poluentes provoca chuvas ácidas ou em dias de muita umidade, uma névoa com altos níveis de acidez. As ações mecânicas, físicas e químicas atuando de forma isolada ou combinada por meio do intemperismo natural ou resultante de resíduos industriais, contribuem para a redução da vida útil do concreto. A redução da permeabilidade do concreto é, portanto, uma medida importantíssima do ponto de vista do aumento da durabilidade do concreto. O emprego de cimentos resistentes a sulfatos e com baixos teores de C3A, também aumenta a vida útil do concreto. A Norma ABNT NBR 12655:2015 (Concreto de cimento Portland - Preparo, controle e recebimento - Procedimento), especifica requisitos para: a) propriedades do concreto fresco e endurecido e suas verificações; b) composição, preparo e controle do concreto; c) recebimento do concreto. Esta norma é aplicável a concreto de cimento Portland para estruturas moldadas na obra, estruturas pré-moldadas e componentes estruturais pré-fabricados para edificações e estruturas de engenharia. 5. PROPRIEDADES DO CONCRETO FRESCO Entende-se com concreto fresco, o concreto no estado plástico, antes do endurecimento. Ainda que suas propriedades no estado fresco sejam de maior interesse para a aplicação, sabe-se que elas estão relacionadas e têm grande implicação nas propriedades do concreto endurecido. Algumas propriedades do concreto endurecido dependem fundamentalmente de suas características enquanto no estado fresco. 5.1. TRABALHABILIDADE 33 33 A trabalhabilidade é a propriedade mais importante do concreto fresco e engloba diversas características de difícil avaliação quantitativa. Um concreto é considerado trabalhável quando apresenta características (consistência e dimensão máxima do agregado) adequadas à obra a que se destina (dimensões das peças, espaçamento e distribuição das armaduras) e ao método de lançamento, adensamento e acabamento empregado, sem apresentar segregação ou exsudação, podendo ser adequadamente compactado e envolvendo totalmente as armaduras. O esforço para manipular uma quantidade de concreto fresco com perda mínima de sua homogeneidade determina sua trabalhabilidade. A consistência, medida pelo ensaio de abatimento do tronco de cone, indica a mobilidade e fluidez do concreto. A dificuldade para adensar o concreto é determinada pelas características de mobilidade e pela facilidade com que a eliminação de vazios pode ser atingida, sem prejudicar sua estabilidade. A estabilidade da mistura ou coesão indica a capacidade de retenção de água (oposta da exsudação) e a capacidade de retenção do agregado graúdo na massa de concreto fresco (oposto da segregação). Pode-se dizer que os dois componentes principais da trabalhabilidade são a fluidez, que determina a facilidade de mobilidade e a coesão que determina a resistência à exsudação e segregação da mistura. Na prática, a definição do teor de água adequado tem grande importância na trabalhabilidade do concreto fresco. Uma mistura muito seca exigirá o emprego excessivo de energia no adensamento e poderá resultar no adensamento inadequado e em superfícies mal acabadas. Por outro lado, uma mistura muito úmida pode encarecer a mistura e provocar a desagregação e enfraquecimento da estrutura concretada. Apesar disso, em geral, a falta de água é mais prejudicial que um pequeno excesso. O concreto fresco deve encher completamente as fôrmas e, além disso, possuir condições para depositar-se sem perder a continuidade (uniformidade). A perda de continuidade ou coesão decorre da separação dos constituintes da mistura de duas formas distintas. 34 34 Na primeira, os grãos maiores tendem a se separar dos demais quando o concreto é transportado em calhas ou depositado nas fôrmas. Uma das causas desta segregação é a diferença de tamanhos de grãos e da massa específica dos constituintes. Seu aparecimento pode ser prevenido pela escolha conveniente da granulometria dos agregados e pelos cuidados tomados nas operações de mistura, transporte, lançamento e adensamento do concreto fresco. Em misturas muito plásticas, observa-se a separação da pasta. Este tipo de segregação observa-se também quando da vibração muito intensa durante o adensamento do concreto, que obviamente resultará num concreto descontínuo e mais fraco. Na segunda forma de segregação, a água da mistura tende a elevar-se até a superfície do concreto recém lançado, fenômeno conhecido como exsudação. Dos constituintes da mistura, a água é o mais leve e sob a ação da gravidade os sólidos dispersos na mistura tendem a se sedimentar enquanto que a água migra para a superfície. A exsudação decorre da incapacidade dos agregados em reter a água na mistura. A água exsudada acumula-se embaixo dos agregados maiores e embaixo das barras horizontais da armadura (figura 32), quando esta existe. Este fenômeno, que ocorre particularmente na parte superior dos elementos estruturais, tornando o concreto desta região mais poroso e enfraquecido. A aderência da pasta ao agregado ou armadura fica prejudicada. O conceito de trabalhabilidade envolve também características relativas à natureza da obra em questão e aos métodos construtivos empregados. Um concreto adequado à concretagem de peças de grandes dimensões e pouco armado pode não o ser para peças delgadas e muito armado. Um concreto adequado para o adensamento com vibração, dificilmente será adensado satisfatoriamente manualmente. As ações físicas e subjetivas que atuam sobre a trabalhabilidade são: EXSUDAÇÃO SOB ARMADURAS EXSUDAÇÃO SOB AGREGADOS EXSUDAÇÃO VISÍVEL NA SUPERFÍCIE SENTIDO DA EXSUDAÇÃO FÔRMAS Figura 32 – Exsudação: enfraquecimento da aderência pasta-agregado 35 35 Características do Concreto - Consistência - Homogeneidade (mobilidade, coesão) Condições do Projeto - Dimensões das Fôrmas - Densidade de Armadura Condições de Manipulação - Métodos de Mistura - Transporte - Lançamento - Adensamento O quadro a seguir demonstra a influência do grau de compactação na resistência à compressão do concreto. Figura 33 – Relação entre os índices de resistência e de massas unitárias MU = Relação entre as massas unitárias e a correspondente máxima compactada MU máx R = Relação entre as resistências e a correspondente máxima compactada RMU máx 5.2. FATORES QUE INFLUEM NA TRABALHABILIDADE 36 36 5.2.1. Teor Água/Mistura Seca Este é o principal fator que influi na consistência do concreto fresco. Para uma mesma granulometria e consumo de cimento, o acréscimo gradual de água vai tornando a mistura mais plástica. Quando a quantidade de água excede certo limite, a pasta torna-se tão fluida que se segrega da mistura. Neste estado, os grãos de agregado passam a atritarem-se diretamente uns sobre os outros, o queresulta em perda da fluidez e conseqüentemente da trabalhabilidade. Expressão da composição do traço → 1 : a : p : x Cimento areia pedra água 100 1 % m x A A% = Relação Água / Materiais Secos x = Relação Água / Cimento m = a + p Observações: 1) Relação Água / Cimento (x) – Responsável pela Resistência e Durabilidade do concreto. 2) Relação Água / Materiais secos (A%) – Responsável pela Trabalhabilidade. 5.2.2. Tipo e finura do Cimento Para uma mesma consistência os cimentos Portland podem diferir quanto à necessidade de água na mistura. Quanto maior o teor de cimento, tanto maior a quantidade de água necessária. Concretos que possuam uma quantidade elevada de cimento ou cimento muito fino apresentam excelente coesão, mas uma tendência a ser viscosos. 5.2.3. Granulometria e Forma do Grão Admitindo-se mantidas as quantidades de cimento e água num concreto e variando-se a proporção dos agregados, conforme segue: a) 70% Areia e 30% Brita b) 50% Areia e 50% Brita c) 30 Areia e 70% Brita Com o aumento da proporção de brita, a superfície total dos grãos diminui, o que contribui para um melhor envolvimento dos grãos pela pasta e uma redução do atrito interno da mistura; conseqüentemente o concreto fica mais plástico como ilustra a figura 34b. Se a quantidade de brita aumentar excessivamente, a falta de argamassa criará vazios na mistura permitindo o atrito direto das britas, resultando em grande perda da plasticidade com dificuldades para o adensamento (figura 34c). 37 37 a) 70% Areia + 30% Brita b) 50% Areia + 50% Brita c) 30% Areia + 70% Brita Figura 34 – Influência da granulometria A forma do grão também tem influência e sabe-se que as esféricas e cúbicas exigem menos água para uma mesma consistência e, portanto devem ser preferidas. 5.2.4. Aditivos O uso de aditivos redutores de água (plastificantes) para uma quantidade de água constante pode aumentar o abatimento do concreto. Os incorporadores de ar aumentam o volume da pasta e melhoram a consistência da mistura. Este tipo de aditivo aumenta a coesão através da redução da exsudação e segregação. 5.2.5. Tempo, Temperatura e Umidade Relativa do Ar As misturas de concreto fresco enrijecem com o tempo. Isto não deve ser confundido com a pega do cimento, pois resulta da absorção de parte da água pelo agregado e da evaporação de outra parte, principalmente se o concreto for exposto ao sol, vento, temperaturas elevadas e baixa umidade relativa do ar. 5.3. DETERMINAÇÃO DA CONSISTÊNCIA ENSAIO DE ABATIMENTO DO TRONCO DE CONE Este ensaio, embora não represente uma boa avaliação da trabalhabilidade, serve para a análise da consistência de concretos plásticos. Ele não é indicado para concretos de consistência muito seca ou fluida e tem como principal utilidade, controlar a uniformidade entre as diversas amassadas. A Norma NBR NM 67:1998 (Concreto - Determinação da consistência pelo abatimento do tronco de cone) especifica um método para determinar a consistência do concreto fresco através da medida de seu assentamento, em laboratório e obra. Este parâmetro é conhecido como abatimento (Slump, em Inglês). As tabelas 8 e 9 indicam os limites de consistência em função da aplicação e tipo de adensamento do concreto. Tabela 8 - Consistência indicativa do concreto em função do tipo de elemento estrutural, para adensamento mecânico 38 38 ELEMENTO ESTRUTURAL ABATIMENTO (mm) POUCO ARMADA MUITO ARMADA LAJE 60 10 70 10 VIGA E PAREDE ARMADA 60 10 80 10 PILAR 60 10 80 10 PAREDES DE FUNDAÇÃO, SAPATAS E TUBULÕES 60 10 70 10 Tabela 9 – Consistência (Abatimento) x Adensamento aplicado em obras CONSISTÊNCIA ABATIMENTO (mm) OBRA / ADENSAMENTO Extremamente seca 0 Pré-fabricação. Condições especiais de adensamento. Muito seca 0 Grandes massas. Pavimentação. Vibração muito enérgica. Seca 0 a 20 Estruturas de concreto armado ou protendido. Vibração enérgica. Rija 20 a 50 Estruturas correntes. Vibração normal Plástica (média) 50 a 120 Estruturas correntes. Adensamento manual Úmida 120 a 200 Estruturas correntes sem grande responsabilidade Adensamento manual Fluida (líquida) 200 a 250 Concreto inadequado para qualquer uso Figura 35 – Molde padrão para o ensaio de abatimento do tronco de cone NBR NM 67:1998 39 39 Concreto – Determinação da consistência pelo abatimento do tronco de cone 1- Umedecer o molde e a placa de base e colocar o molde sobre a placa colocando os pés sobre as duas abas do molde para mantê-lo firme no chão. Encher o molde em três camadas, cada uma com aproximadamente um terço da altura do molde compactando-as com 25 golpes bem distribuídos, com a haste de socamento. Para compactar a camada inferior é necessário inclinar levemente a haste e efetuar cerca da metade dos golpes em forma de espiral até o centro. 2- Preencher o segundo terço da altura do molde, fazendo a haste penetrar, mas não atravessar a primeira camada, costurando as duas camadas em golpes bem distribuídos. 3- Preencher o último terço da altura com excesso de concreto (pode-se utilizar de um complemento tronco- cônico de enchimento adaptável à base superior do molde) e, adensá-lo com golpes bem distribuídos, costurando as duas camadas. 4- Rasar o concreto do topo do tronco de cone e limpar bem o excesso de concreto sobre a base, deixando-a livre. 5- Retirar os pés das abas mantendo pressionado o cone para baixo, com o auxílio das mãos sobre as alças laterais. Retirar o molde verticalmente lenta e continuamente (entre 5 s e 10 s). 6- Colocar o tronco de cone cuidadosamente, sem choques, sobre a placa de base e medir o abatimento do concreto, em milímetros, aproximando aos 5 mm mais próximos. Caso ocorra o desmoronamento, a operação completa deve ser repetida, agora com um novo concreto fresco. 40 40 Toda a operação do ensaio deve ser realizada num período máximo de 2,5 min. 6. ADITIVOS PARA O CONCRETO (Artigo da ABESC) Os benefícios dos aditivos para concreto Que impressão deveríamos ter sobre produtos que são colocados no concreto com o objetivo de melhorar suas propriedades? Teoricamente, deveriam ter grande aceitação em todos os segmentos do mercado. Mas, não é isso que, historicamente, vem acontecendo com os aditivos. O desconhecimento e a falta de informação gerou, ao longo dos anos, um certo preconceito quanto à utilização desses produtos. Na verdade, exatamente como acontece com vários outros componentes da construção, o aditivo, se for mal utilizado, com certeza trará prejuízos. Daí vem o preconceito quanto ao seu uso. Entretanto, se bem utilizado, pode produzir uma série de benefícios na trabalhabilidade do concreto. Na avaliação do eng. Levy von Sohsten Rezende, coordenador técnico da ABESC, a situação é bastante simples: "o aditivo não é um remédio; ele não corrige uma dosagem mal feita". As indústrias de aditivos também apostama falta de conhecimento como o principal responsável pelo preconceito contra o uso de aditivos no Brasil. "Para que o aditivo dê resultados é fundamental que seja bem escolhido e devidamente dosado. Para evitar problemas, o melhor é contar sempre com a assistência técnica dos produtores", afirma o eng. Mauro Movikawa, da Reax. 6.1. Séculos de existência Ao contrário do que se pensa, os aditivos são bastante antigos. Já eram utilizados pelos romanos muito antes da existência do concreto de cimento portland. Na Roma Antiga, eles usavam clara de ovo, sangue de animal e outros ingredientes como aditivos. Já os aditivos como hoje os conhecemos começaram sua evolução a partir do início do século. Os aditivos são produtos químicos adicionados à mistura de concreto em teores não maiores que 5% em relação à massa de cimento. Podemos afirmar que existem atualmente 9 tipos fundamentais de aditivos: aceleradores, retardadores, incorporadores de ar, plastificantes e superplastificantes (e seus derivados, aceleradores e retardadores). Como o próprio nome já diz, os aditivos aceleradores têm como principal objetivo acelerar o processo de endurecimento do concreto, enquanto os retardadores adiam essa reação. 41 41 Muito utilizado no Brasil pelo setor concreteiro, o aditivo plastificante tem como principais propriedades a redução da água e a melhoria da trabalhabilidade da mistura, facilitando o seu adensamento e acabamento. Destaca-se ainda a melhoria nas condições de transporte até a obra, ocasionada pela diminuição da perda de consistência ao longo do tempo que impõe limites à prestação dos serviços de concretagem. 6.2. Concretos de alta resistência Já os aditivos superplastificantes são relativamente novos, pois surgiram a partir da década de 70. Com eles, foi possível grande avanço na tecnologia do concreto, que é a dosagem de concretos com resistências elevadas. "Foi preciso que a química se desenvolvesse, propiciando o desenvolvimento dos aditivos superplastificantes, possibilitando a execução de concretos de elevada resistência (como o CAD). Isto porque se trabalha com baixíssimo teor de água e conseqüentemente aumento da resistência. Um aditivo deste pode reduzir em até 30% a quantidade de água no concreto", afirma o eng. Levy. Por sua vez, os aditivos incorporadores de ar consistem na introdução de microbolhas de ar, com o objetivo de melhorar a trabalhabilidade do concreto (aumenta a durabilidade, diminui a permeabilidade e a segregação, deixando o concreto mais coeso e homogêneo). Outra vantagem dos incorporadores de ar, é que reduzem a exsudação, migração da água livre para a superfície do concreto. Um exemplo de como o preconceito quanto ao uso de aditivos pode ser equivocado diz respeito à sua utilização em estacas escavadas por hélice contínua. Normalmente, nesse caso, o uso de aditivos é rechaçado; entretanto, o aditivo plastificante é muito importante porque melhora o desempenho na aplicação do concreto, uma vez que diminui a perda de consistência ao longo da aplicação. De acordo com o eng. Levy, "na verdade, o que não se quer é o uso do aditivo apenas como um redutor da água de amassamento do concreto. Ou seja, o preconceito está normalmente relacionado ao desconhecimento ou falta de informação". Para evitar situações como essa, as indústrias de aditivos estão procurando investir na educação, através da realização periódica de cursos e palestras para faculdades de engenharia, tanto em nível de graduação como de pós-graduação. O objetivo é mudar a mentalidade dos profissionais da próxima geração, no que diz respeito ao uso de aditivos. De acordo com o eng. Mauro Movikawa, o mercado para este segmento é promissor. "Tudo o que envolve o concreto está evoluindo. Dessa forma, torna-se natural a necessidade cada vez maior de uso dos aditivos", 42 42 Figura 36 – Aditivos para concreto Aditivos / Tipos Efeitos Usos / Vantagens Desvantagens Efeitos na Mistura Plastificantes (P) - Aumenta o índice de consistência - Possibilita redução de no mínimo 6% da água de amassamento - Maior trabalhabilidade para determinada resistência - Maior resistência para determinada trabalhabilidade - Menor consumo de cimento para determinada resistência e trabalhabilidade - Retardamento do início de pega para dosagens elevadas do aditivo - Riscos de Segregação - Enrijecimento prematuro em determinadas condições - Efeitos significativos da mistura nos três casos (usos) citados Retardadores (R) - Aumenta o tempo de início de pega - Mantém a trabalhabilidade em temperaturas elevadas - Retarda a elevação do calor de hidratação - Amplia os tempos de aplicação - Pode promover exsudação - Pode aumentar a retração plástica do concreto - Retardamento do tempo de pega Aceleradores (A) - Pega mais rápida - Resistência inicial mais elevada - Concreto projetado - Ganho de resistência em baixas temperaturas - Redução do tempo de desforma - Reparos - Possível fissuração devido ao calor de hidratação - Risco de corrosão de armaduras (cloretos) - Acelera o tempo de pega e a resistência inicial Plastificantes e Retardadores (PR) - Efeito combinado de (P) e (R) - Em climas quentes diminui a perda de consistência - Efeitos iniciais significativos - Reduz a perda de consistência Plastificantes e Aceleradores (PA) - Efeito combinado de (P) e (A) - Reduz a água e permite ganho mais rápido de resistência - Riscos de corrosão da armadura (cloretos) - Efeitos iniciais significativos - Reduz os tempos de início e fim de pega Incorporadores de ar (IAR) - Incorpora pequenas bolhas de ar no concreto - Aumenta a durabilidade ao congelamento do concreto sem elevar o consumo de cimento e o conseqüente aumento do calor de hidratação - Reduz o teor de água e a permeabilidade do concreto - Necessita controle cuidadoso da porcentagem de ar incorporado e do tempo de mistura - O aumento da trabalhabilidade pode ser inaceitável - Efeitos significativos 43 43 - Bom desempenho em concretos de baixo consumo de cimento Superplastificantes (SP) - Elevado aumento do índice de consistência - Possibilita redução de no mínimo 12% da água de amassamento - Tanto como eficiente redutor de água como na execução de concretos fluidos (auto-adensáveis) - Riscos de segregação da mistura - Duração do efeito fluidificante - Pode elevar a perda de consistência - Efeitos iniciais significativos Fonte: Manual do Concreto Dosado em Central - ABESC 7. DOSAGEM DO CONCRETO A dosagem é a determinação da quantidade de cada um dos materiais para a produção de um metro cúbico de concreto. Existem vários métodos para a determinação da dosagem, sendo que, no Brasil, os mais utilizados são: Instituto Tecnológico do Rio Grande do Sul (ITERS), Instituto Nacional de Tecnologia (INT), Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S.A. (IPT) e da Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP). Todos os métodos são empíricos, não havendo uma expressão matemática exata que defina a composição do concreto. A escolha de um dos métodos é mais uma questão de adaptaçãoao tipo de concreto que se deseja produzir (trabalhabilidade) e aos materiais empregados. Dosagem → Proporcionamento dos materiais para um volume desejado. Estudo de Dosagem → Conjunto de procedimento para conseguir as condições de: 1 - Resistência 2 - Durabilidade 3 - Trabalhabilidade 1) Para atender a condição “Resistência” deve-se possuir a curva de Abrams construída com o mesmo cimento e mesmos agregados que serão utilizados na fabricação do concreto. 2) Para atender a condição de “Durabilidade” deve-se tomar conhecimento do projeto e das condições de exposição das peças de concreto, de acordo com o que estabelece a ABNT NBR 6118:2014. As tabelas da NBR 12655:2015, a seguir, apresenta os requisitos para o concreto em função das condições de exposição das peças de concreto (agressividade). Tabela 10 – Classes de agressividade ambiental Classe de agressividade ambiental Agressividade Classificação geral do tipo de ambiente para efeito de projeto Risco de deterioração da estrutura I Fraca Rural Insignificante 44 44 Submersa II Moderada Urbana a, b Pequeno III Forte Marinha a Grande Industrial a, b IV Muito forte Industrial a, c Elevado Respingos de maré a Pode-se admitir um microclima com uma classe de agressividade mais branda (uma classe acima) para ambientes internos secos (salas, dormitórios, banheiros, cozinhas e áreas de serviço de apartamentos residenciais e conjuntos comerciais ou ambientes com concreto revestido com argamassa e pintura). b Pode-se admitir uma classe de agressividade mais branda (uma classe acima) em obras em regiões de clima seco, com umidade relativa do ar menor ou igual a 65%, partes da estrutura protegidas de chuva em ambientes predominantemente secos, ou regiões onde raramente chove. c Ambientes quimicamente agressivos, tanques industriais, galvanoplastia, branqueamento em indústrias de celulose e papel, armazéns de fertilizantes e indústrias químicas. Tabela 11 – Correspondência entre classe de agressividade e qualidade do concreto Concreto a Tipo b, c Classe de agressividade (Tabela 10) I II III IV Relação água/cimento em massa CA ≤ 0,65 ≤ 0,60 ≤ 0,55 ≤ 0,45 CP ≤ 0,60 ≤ 0,55 ≤ 0,50 ≤ 0,45 Classe de concreto (ABNT NBR 8953) CA ≥ C20 ≥ C25 ≥ C30 ≥ C40 CP ≥ C25 ≥ C30 ≥ C35 ≥ C40 Consumo de cimento por metro cúbico de concreto kg/m3 CA e CP ≥ 260 ≥ 280 ≥ 320 ≥ 360 a O concreto empregado na execução das estruturas deve cumprir com os requisitos estabelecidos na ABNT NBR 12655. b CA corresponde a componentes e elementos estruturais de concreto armado. c CP corresponde a componentes e elementos estruturais de concreto protendido. Tabela 12 – Requisitos para concreto, em condições especiais de exposição Condições de exposição Máxima relação água/cimento, em massa, para concreto com agregado normal Mínimo valor de fck (para concreto com agregado normal ou leve) MPa Condições em que é necessário um concreto de baixa permeabilidade à água 0,50 35 45 45 Exposição a processos de congelamento e descongelamento em condições de umidade ou a agentes químicos de degelo 0,45 40 Exposição a cloretos provenientes de agentes químicos de degelo, sais, água salgada, água do mar, ou respingos ou borrifação desses agentes 0,40 45 Tabela 13 – Requisitos para concreto exposto a soluções contendo sulfatos Condições de exposição em função da agressividade Sulfato solúvel em água (S04) presente no solo % em massa Sulfato solúvel (S04) presente na água ppm Máxima relação água/cimento, em massa, para concreto com agregado normal* Mínimo fck (para concreto com agregado normal ou leve) MPa Fraca 0,00 a 0,10 0 a 150 -- -- Moderada ** 0,10 a 0,20 150 a 1500 0,50 35 Severa *** Acima de 0,20 Acima de 1500 0,45 40 * Baixa relação água/cimento ou elevada resistência podem ser necessárias para a obtenção de baixa permeabilidade do concreto ou proteção contra a corrosão da armadura ou proteção a processos de congelamento e degelo. ** Água do mar. *** Para condições severas de agressividade, devem ser obrigatoriamente usados cimentos resistentes a sulfatos. Tabela 14 – Teor máximo de íons cloreto para proteção das armaduras do concreto Tipo de estrutura Teor máximo de íons cloreto (Cl-) no concreto % sobre a massa de cimento Concreto protendido 0,05 Concreto armado exposto a cloretos nas condições de serviço da estrutura 0,15 Concreto armado em condições de exposição não severas (seco ou protegido da umidade nas condições de serviço da estrutura) 0,40 Outros tipos de construção com concreto armado 0,30 3) Para atender a condição de “Trabalhabilidade” deve-se encontrar a proporção dos agregados e a relação água / materiais secos (A%) que sejam compatíveis com a obra. 7.1. Definições e simbologia f - resistência; fc - resistência à compressão; ft - resistência à tração; 46 46 fcj - resistência média do concreto à compressão, prevista para a idade de j dias; fck – resistência característica do concreto à compressão; fcd - resistência característica de cálculo; Sd - é o desvio-padrão da dosagem. Lembrando que fcd = fck / 1,4 (coeficiente de minoração de 40% - NBR 6118) Tal medida de segurança reduz os efeitos de: - Possibilidade de desvios nos valores característicos de materiais; - Erros na avaliação dos pesos dos materiais e cargas acidentais; - Inexatidão das fôrmas; - Diferença entre as distribuições previstas das cargas e a real distribuição. 7.2. Determinação da Resistência de Dosagem (fcj) Antes de iniciar a dosagem, propriamente dita, devemos considerar que, sendo o concreto obtido de materiais, em parte naturais, por processos de fabricação em condições muito variáveis, suas propriedades, dentre as quais se destaca a resistência à compressão, em geral não apresentam a uniformidade desejável. Mesmo que mantida a origem dos materiais, o traço, os equipamentos e operários envolvidos na produção do concreto, os resultados da resistência à compressão sofrem variação de um ensaio para outro. Estes resultados se agrupam em torno de um valor médio chamado tendência central (figuras 37 a 39) e sua maior ou menor dispersão em torno da tendência central depende da manutenção da uniformidade dos materiais e do processo ao longo da produção. Figura 37 – Gráfico de tendência central 47 47 Figura 38 – Dispersão pequena Figura 39 – Dispersão grande A dosagem do concreto é realizada utilizando-se a resistência de dosagem (é a resistência que deve ser adotada para se especificar a resistência à compressão desejada). É determinada por meio do controle estatístico do concreto. Para garantir que a resistência característica à compressão do concreto produzido para uma estrutura (fck,est) não fique abaixo do valor especificado em projeto (fck), adota-se para a resistência de dosagem (fcj) um valor superior a partir de critérios definidos pela NBR 6118:2014. A NBR 6118:2014 estabelece