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Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I 3. Concreto 3.1. Introdução Nesta seção, serão descritas importantes aplicações do concreto, examinando-se as razões pelas quais o concreto é o material estrutural de maior uso na atualidade. Também abordaremos algumas propriedades dos concretos, como por exemplo resistência, módulo de elasticidade, tenacidade, estabilidade dimensional e durabilidade. 3.1.1. O concreto como material estrutural O material mais largamente usado em construção é o concreto, normalmente feito com a mistura de cimento Portland com areia, pedra e água. Em apenas 1 ano nos Estados Unidos, 63 milhões de toneladas de cimento Portland foram convertidas em 500 milhões de toneladas de concreto, cinco vezes o consumo de aço, em massa. Em muitos países, o consumo de concreto é l0 vezes maior que o de aço. O consumo mundial total de concreto, em um ano, foi estimado em três bilhões de toneladas, ou seja, uma tonelada por ser humano vivo. O homem não consome nenhum outro material em tal quantidade, a não ser a água. Hoje, a proporção em que o concreto é usado é muito diferente do que o era há 30 anos atrás. Estima-se que o atual consumo mundial de concreto é da ordem de 5,5 bilhões de toneladas por ano. O concreto não é nem tão resistente nem tão tenaz quanto o aço, então, por que é o material mais largamente usado na engenharia? Há algumas razões para isso. Primeiramente, o concreto possui excelente resistência à água. Ao contrário da madeira e do aço comum, a capacidade do concreto de resistir à ação da água, sem deterioração séria, faz dele um material ideal para estruturas destinadas a controlar, estocar e transportar água. De fato, uma das primeiras aplicações conhecidas do concreto consistiu em aquedutos e muros de contenção de água, construídos pelos romanos. O uso de concreto em barragens, canais, canalizações para conduzir água e tanques para estocagem é, na atualidade, visto normalmente em quase todo o mundo. A durabilidade do concreto a alguns tipos de águas agressivas é responsável pelo fato do seu uso ter sido estendido a muitos ambientes agressivos tanto industriais quanto naturais. Elementos estruturais expostos à umidade, tais como estacas, fundações, sapatas, pisos, vigas, pilares, coberturas, paredes exteriores e pavimentos, são freqüentemente construídos em concreto reforçado com armaduras. A segunda razão para o uso tão difundido do concreto é a facilidade com que elementos estruturais de concreto podem ser executados, numa variedade de formas e tamanhos. Isto porque o concreto fresco tem uma consistência plástica, o que permite ao material fluir nas formas pré-fabricadas. Após um certo número de horas, quando o concreto se solidificou e endureceu, tornando-se uma massa resistente, as formas podem ser removidas para reutilização. A terceira razão para a popularidade do concreto entre os engenheiros, é que ele é normalmente o material mais barato e mais facilmente disponível no canteiro. Os principais ingredientes para execução de concreto - cimento Portland e agregados - são relativamente baratos e comumente disponíveis na maior parte do mundo. Apesar de em certas áreas geográficas o custo do concreto poder chegar a 80 dólares por tonelada, em outras ele cai para 120 dólares por tonelada, o que corresponde somente a 2 centavos de dólar por 200 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I quilograma. Comparado à maioria dos outros materiais de engenharia, a produção do concreto requer consideravelmente menor consumo de energia. Além disso, grande quantidade de restos industriais podem ser reciclados no concreto, substituindo o material cimentante ou os agregados. 3.1.2. Algumas definições a) Concreto: é uma mistura de agregados (miúdos e graúdos), cimento e água. Estes três materiais, reunidos e bem misturados, constituem uma massa plástica que endurece no fim de algumas horas, transformando-se em verdadeira pedra artificial com o decorrer do tempo. A fixação, na confecção de um concreto, das quantidades dos três elementos indicados, principalmente as do cimento e da água, constitui assunto importante para o engenheiro e o mestre-de-obras. b) Concreto armado: é aquele que contém barras de aço, projetadas levando-se em consideração que os dois materiais resistam juntos aos esforços. Neste conjunto, o concreto ******* principalmente, pelos esforços à compressão e as barras de aço, aos de tração. c) Concreto protendido: é um concreto no qual, pela tração de cabos de aço, são introduzidas pré-tensões de tal grandeza e distribuição, que as tensões de tração resultantes do carregamento são neutralizadas a um nível ou grau desejado. Uma grande parte do concreto encontra aplicação em elementos de concreto armado ou protendido. d) Concreto projetado: refere-se a uma argamassa ou concreto, transportado pneumaticamente através de uma mangueira e projetado sobre uma superfície a uma alta velocidade. 3.1.3. Componentes do concreto O concreto é um material composto que consiste essencialmente de um meio contínuo aglomerante, dentro do qual estão mergulhadas partículas ou fragmentos de agregados. No concreto de cimento hidráulico, o meio aglomerante é formado por uma mistura de cimento hidráulico e água. O agregado é o material granular, tal como a areia, o pedregulho, ou a pedra britada. O termo agregado graúdo se refere a partículas de agregado maiores do que 4,8 mm e o termo agregado miúdo se refere a partículas de agregado menores que 4,8 mm, porém maiores que 0,075 mm O termo areia é normalmente usado para o agregado miúdo resultante da desintegração natural e da abrasão de rochas ou processamento de rochas arenosas friáveis. Pedra britada é o produto resultante da britagem industrial de rochas, seixos rolados ou pedras arredondadas graúdas. Pedregulho ou seixo rolado é o agregado graúdo resultante da desintegração natural e abrasão da rocha sem ou com processamento mecânico (britagem) de conglomerados fracamente cimentados. Escória de alto forno, um subproduto da indústria do aço, é o material obtido pela britagem da escória que solidificou sob condições atmosféricas. 201 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I Argamassa é uma mistura de areia, cimento e água. É essencialmente um concreto sem agregado graúdo. Graute é uma mistura de material aglomerante com agregado, normalmente miúdo, ao qual se adicionou água suficiente para produzir uma consistência fluida, sem segregação de seus constituintes. Cimento é um material finamente pulverizado, que sozinho não é aglomerante, mas desenvolve propriedades ligantes, como resultado da hidratação (isto é, de reações químicas entre os minerais do cimento e água). Um cimento é chamado hidráulico quando os produtos de hidratação são estáveis em meio aquoso. O cimento hidráulico mais utilizado para fazer concreto é o cimento Portland, que consiste essencialmente de silicatos de cálcio hidratados. Os silicatos de cálcio hidratados, formados pela hidratação do cimento Portland, são os principais responsáveis por suas características cimentícias e são estáveis em meios aquosos. As definições anteriores de concreto como uma mistura de cimento, agregados e água não incluem um quarto componente, os aditivos, que quase sempre são usados atualmente. O uso de aditivos no concreto é hoje largamente disseminado, devido aos vários benefícios resultantes da sua correta aplicação. Por exemplo, aditivos químicos podem modificaras características de pega e de endurecimento da pasta, influindo na taxa de hidratação do cimento. Aditivos redutores de água podem tornar plásticos concretos frescos, reduzindo a tensão superficial da água. Aditivos incorporados de ar podem melhorar a durabilidade do concreto exposto ao frio e aditivos minerais (materiais contendo sílica reativa), podem reduzir a fissuração térmica do concreto massa. 3.1.4. Tipos de concreto Baseado na massa específica, o concreto pode ser classificado em três grandes categorias4. • Concreto de peso normal ou concreto corrente: é o concreto contendo areia natural e seixo rolado ou pedra britada, geralmente pesando 2400 kg/m3 e é mais usado geralmente para peças estruturais. • Concreto leve: para aplicações em que se deseja uma alta relação resistência/peso, é possível reduzir a massa específica do concreto, usando-se certos agregados leves estruturais. O termo concreto leve é usado para concreto cujo peso específico é menor que 1800 kg/m3 e a resistência a compressão varia de 25 a 40 MPa. • Concreto pesado: preparado com minerais de alta massa específica, é cerca de 50% mais pesado do que um concreto normal contendo agregado convencional, este tipo de concreto é utilizado para bloquear a radiação em usinas nucleares, na blindagem de radiações, este concreto é produzido a partir de agregados de alta densidade e que geralmente pesa mais do que 3200 kg/m3. A classificação do concreto quanto à resistência à compressão, referida aos 28 dias, será: • Concreto de baixa resistência: resistência à compressão menor que 20 MPa. • Concreto de resistência moderada: resistência à compressão de 20 a 40 MPa. • Concreto de alta resistência: resistência à compressão superior a 40 MPa. Para maiores detalhes sobre este assunto consulte o livro "Concreto, Estrutura, Propriedades e Materiais, da Ed. Pini. 202 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I O concreto de resistência moderada é o concreto normal ordinário ou corrente, usado na maioria das estruturas. O concreto de alta resistência é usado para aplicações especiais. Dosagens típicas dos materiais para produzir concreto de baixa, moderada e alta resistências, com agregados normais, são mostrados na tabela a seguir: Baixa Resistência Resistência Moderada Alta Resistência Kg/m3 Kg/m3 Kg/m3 Cimento 255 356 510 Água 178 178 178 Agregado miúdo 801 848 890 Agregado Graúdo 1169 1032 872 Fator a/c em massa 0,70 0,50 0,40 Resistência em MPa 18 30 60 Quando ocorre água em excesso, todos os grãos de cimento hidratam-se e ainda assim, resta água na mistura de concreto. O que ocorre com essa água restante? Tal água restante tende a evaporar originando os vazios capilares na estrutura do concreto. 3.2. Estrutura do Concreto A estrutura do concreto consiste no tipo, na quantidade, no tamanho, na forma e na distribuição das fases presentes num sólido do material. Tal estrutura pode ser classificada em macroestrutura ou microestrutura. Macroestrutura — estrutura grosseira, vista a olho nu. Microestrutura — representa uma porção aumentada da macroestrutura. 3.2.1. Fases do concreto a nível macroscópico Ao analisarmos, macroscopicamente, um corpo de prova de concreto rompido, observamos somente a presença de duas fases: • Fase agregado (partículas de tamanho e forma diferentes) • Fase pasta de cimento (meio ligante) 3.2.2. Fases do concreto a nível microscópico Ao analisarmos uma estrutura de concreto microscopicamente, podemos perceber que o meio ligante pode apresentar-se tão denso quanto a fase agregado, como também pode apresentar-se de forma porosa. Microscopicamente, também podemos perceber a diferença, quando analisamos a estrutura de corpos de prova de concreto preparados com diferentes traços. Caso os corpos de prova possuam traços com a mesma quantidade de cimento, porém com diferentes quantidades de água e analisados em diferentes intervalos de tempo, observaremos, geralmente, que o volume de vazios capilares na pasta decresce com a diminuição da relação a/c ou com a idade crescente de hidratação. Por que o volume de vazios capilares decresce com a relação a/c? O concreto é formado por água, areia, cimento e pedra (brita). A idade crescente de hidratação consiste nas reações de hidratação que ocorrem com os grãos de cimento, os quais necessitam de uma quantidade ideal de água, ou seja, nem em excesso nem em falta. 203 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I E se a água for insuficiente para que ocorram todas as reações de hidratação dos grãos de cimento? O que ocorrerá? Caso a água da mistura seja insuficiente para que ocorram todas as reações de hidratação em todos os grãos de cimento, aqueles que não se hidrataram constituirão um meio "farinhento", pois somente através da reação do cimento Portland com a água é que a pasta torna-se um meio ligante (aglomerante). Microscopicamente, também podemos dizer que existe uma terceira fase na estrutura do concreto além das outras duas percebidas a olho nu, a qual pode ser classificada como zona de transição, que representa a região interfacial entre as partículas de agregado graúdo e a pasta. A zona de transição é geralmente mais fraca que as outras duas fases do concreto (agregado e pasta) exercendo grande influência sobre o comportamento mecânico do concreto. Em resumo, microscopicamente, o concreto apresenta três fases: • Fase agregado (partículas de tamanho e forma diferentes) • Fase pasta de cimento (meio ligante) • Fase de transição ou zona de transição. Agora vamos analisar, separadamente, cada uma das fases do concreto. a) Estrutura da fase agregado Algumas propriedades do concreto, como por exemplo, massa unitária, módulo de elasticidade e estabilidade dimensional dependem muito da densidade e resistência do agregado, que, por sua vez, são determinadas mais por características físicas do que por características químicas da estrutura do agregado. Isto significa que as características físicas do agregado, como volume, tamanho, forma, textura e distribuição dos poros, são mais importantes do que a composição química do mesmo. A fase agregado geralmente é mais resistente do que as duas outras fases do concreto, não podemos dizer que a fase agregado é a principal responsável pela resistência do concreto, ou seja, tal concreto terá uma resistência menor do que a resistência do agregado. Contraditoriamente, quando o agregado for altamente poroso e fraco (por exemplo, a pedra pome) poderá influenciar na resistência do concreto. Indiretamente, o tamanho e a forma do agregado graúdo podem afetar a resistência do concreto. Quanto maior o tamanho do agregado no concreto e mais elevada a proporção de partículas chatas e alongadas, maior será a tendência do filme de água se acumular próximo à superfície do agregado, enfraquecendo assim a zona de transição pasta-agregado, tornando-a propensa à fissuração. Tal fenômeno é conhecido como exsudação interna. A figura abaixo representa a exsudação em concreto recém lançado: 204 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I A água exsudada internamente tende a acumular-se na vizinhança de partículas de agregado, grandes alongadas e chatas. Nestas regiões, a zona de transição existente entre a pasta de cimento e o agregado tende a ser mais fraca e propensa a fissuração. Este fenômeno é responsável pelo início da ruptura dos concretos. b) Estrutura da pasta endurecida A estrutura da pasta endurecida é resultado das reações químicas entre os minerais do cimento e a água. É importante saber que o cimento por si só,não possui características aglomerantes (ligantes), somente após as reações de hidratação dos seus grãos é que este adquire tal característica, o que possibilita a aglutinação entre os compostos do concreto. Durante as reações de hidratação do cimento Portland é liberada determinada quantidade de calor (reações exotérmicas), no entanto, é necessário conhecê-la, pois pode ser favorável algumas vezes e desfavorável em outras. Também é muito importante conhecer a velocidade das reações de hidratação, o que determina o tempo de pega e de endurecimento. A reação inicial deve ser retardada o suficiente para permitir o lançamento do concreto na forma, porém após o seu lançamento é desejável um rápido endurecimento. Na realidade, ocorre uma primeira reação transitória. Os primeiros cristais aciculares (que tem forma de agulha) são formados após alguns minutos de hidratação do cimento Portland, devido às combinações entre compostos do cimento e da gipsita adicionada na moagem do cimento com íons hidroxila. Tais cristais são conhecidos como etringita. Horas mais tarde, o espaço vazio ocupado pela água e partículas de cimento em dissolução, vão dando lugar a cristais prismáticos grandes de hidróxido de cálcio e pequenos cristais fibrilares de silicatos de cálcio hidratado. Após alguns dias, dependendo da proporção alumina-sulfato do cimento Portland, a etringita pode tornar-se instável e decompor-se para formar o monosulfato hidratado, que tem a forma de placas hexagonais. Em pastas hidratadas de cimento Portland, tanto com baixo teor de sulfato como de elevado teor de C3A, formam-se os aluminatos de cálcio hidratados, os quais também possuem morfologia em placa hexagonal. b.1) Sólidos na pasta de cimento hidratado 205 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I São quatro as principais fases sólidas presentes na pasta de cimento hidratado. b.1.1) silicato de cálcio hidratado; Não se esqueça das abreviações b.1.2) hidróxido de cálcio; utilizadas na química do cimento: b.1.3) sulfoaluminatos de cálcio b.1.4) grãos de clínquer não hidratado. C = CaO S = SiO2 A = Al2O3 F = Fe2O3 S= SO3 H = H2O Vamos falar um pouco sobre cada uma destas quatro fases: b.1.1) Silicato de cálcio hidratado (C-S-H) -- corresponde, em volume, de 50 a 60% dos sólidos de uma pasta de cimento completamente hidratado. É a fase mais importante na determinação das propriedades da pasta. A estrutura cristalina interna do C-S-H é semelhante à do mineral natural tobermorita, por isso algumas vezes é chamado gel de tobermorita. A estrutura do C-S-H ainda não foi completamente definida, porém o "Modelo de Powers- Brunauer" sugere que o material tenha uma estrutura em camada com uma área específica elevada (100 a 700 m2/g) e a resistência do material é atribuída principalmente a forças de Van der Waals. b.1.2) Hidróxido de cálcio [Ca(OH)2] -- seus cristais (grandes e hexagonais) representam cerca de 20 a 25% do volume de sólidos na pasta hidratada. O seu potencial de contribuição para a resistência é inferior ao do C-S-H, devido a uma menor área específica (forças de Van der Waals). b.1.3) Sulfoaluminatos de cálcio -- ocupam de 15 a 20% do volume de sólidos na pasta endurecida. Durante a fase inicial de hidratação a relação iônica sulfato-alumina da solução favorece a formação da etringita (C6AS 3H32 - trissulfato hidratado), formando cristais primários aciculares. Nas pastas de cimento Portland comum, a etringita transforma-se em C4ASH18 (monossulfato hidratado), o que torna o concreto feito com cimento Portland vulnerável ao ataque por sulfato. b.1.4) Grãos de clínquer não hidratado -- ao analisarmos microscopicamente a pasta de cimento hidratado, podemos perceber a presença de alguns grãos de clínquer não hidratado, o que dependerá da distribuição do tamanho das partículas de cimento anidro e do grau de hidratação. Primeiramente hidratam-se as partículas menores de clínquer e as maiores tornam- se menores. Em idades posteriores, devido a falta de espaço disponível, a hidratação in loco de partículas de clínquer resulta na formação de um produto de hidratação muito denso, semelhante a uma partícula original de clínquer. b.2) Vazios na pasta endurecida A pasta endurecida possui, além dos sólidos descritos anteriormente, espaços vazios. Veja abaixo alguns tipos de vazios que podem aparecer nesta pasta: o b.2.1) Vazio interlamelar C-S-H -— estes vazios são da ordem de 5 a 25 A, logo muito pequenos para afetar a resistência e a permeabilidade da pasta. Porém, a água pode ser retirada destes vazios por pontes de hidrogênio e a sua remoção sob determinadas condições pode contribuir para a retração por secagem e para a fluência. b.2.2) Vazios capilares - de formato irregular representam o espaço não preenchido pelos sólidos da pasta, conhecido também como porosidade. 206 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I Durante a hidratação do cimento, os produtos formados por esta reação ocupam gradativamente o espaço que anteriormente era preenchido somente pela água e pelo cimento. Para se ter uma idéia, 1 cm3 de cimento ocupa aproximadamente 2 cm3 de volume após a hidratação completa do cimento. E, entende-se por vazios capilares o espaço que não é ocupado pelo cimento e nem pelos produtos de hidratação. O tamanho e o volume dos capilares é determinado pela distância inicial entre as partículas de cimento anidro na pasta de cimento recém-misturada e o grau de hidratação do cimento. b.2.3) Ar incorporado -— são espaços vazios de formato esférico. Tais vazios são maiores que os vazios capilares, podendo afetar negativamente a sua resistência. b.3) A água na pasta endurecida Se analisarmos microscopicamente um corpo de prova de concreto, sem que antes seja feito uma secagem à vácuo, percebemos que nos poros da pasta endurecida fica retida uma certa quantidade de água, o que pode ser resultado da umidade ambiente e da porosidade da pasta. A água pode apresentar-se sob a forma de vapor no interior dos poros ou então nos seguintes estados: água capilar, água adsorvida, água interlamelar e água quimicamente combinada. Esta classificação dá-se pelo grau de facilidade com que podem ser removidas. Veremos o que significa cada um destes tipos de água: b.3.1) Água capilar: é o volume de água que está livre da influência das forças de atração exercidas pela superfície sólida. A água capilar pode ainda ser classificada em duas categorias: água livre e água retida por tensão capilar. • água livre: esta água é retida em grandes vazios (diâmetro > 0,05 um) e a sua remoção não causa qualquer variação de volume. • água retida por tensão capilar: esta água é retida em pequenos capilares (5nm < ^ < 50 nm) e sua remoção pode causar retração. b.3.2) Água adsorvida ou água capilar: devido a força de atração, as moléculas de água são fisicamente adsorvidas na superfície dos sólidos da pasta. A perda desta água é responsável principalmente pela retração da pasta na secagem. b.3.3) Água interlamelar: é a água associada à estrutura do C-S-H, a qual é perdida somente por secagem forte, quando tal água é retirada a estrutura do C-S-H retrai-se consideravelmente. b.3.4) Água quimicamente combinada ou água de cristalização: esta água é parte integrante da estrutura de vários produtos hidratados do cimento, não é perdida na secagem, somente é liberada quando os produtos hidratados são decompostos por aquecimento. c) Estrutura da fase de transição Apesar da zona de transição ser constituída do mesmo material que a pasta matriz, ambas comportam-se de maneira bastante diferente. Logo que um concreto é compactado, forma-se ao redor das partículas grandes do agregado graúdo, umfilme de água, o que pode levar a uma maior relação a/c neste local, denominado zona de transição. Com o aumento da relação a/c tem-se uma diminuição da resistência. A zona de transição é sujeita à fissuração antes mesmo da estrutura ser carregada. 3.3. Traço do Concreto O traço é a indicação das quantidades dos materiais que entram no concreto. Existem três sistemas: a) O traço em volume de todos os materiais, inclusive do cimento, é o sistema corrente em pequenas obras, porém o mais imperfeito e incerto, e por isso mesmo não deve, em absoluto, ser empregado numa grande obra. Os traços 1:2:4, 1:3:6 e 1:2:5 etc, fixados a olho, 207 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I independentemente da graduação dos materiais e da quantidade de água produzem quase sempre concretos de resistência desconhecida. Esse método arbitrário deve ser combatido, já que não oferece nenhuma confiabilidade. A medida em volume do cimento dá origem a grandes erros e a desagradáveis surpresas na resistência do concreto, pois bem sabem os mestres-de-obras que se pode encher o volume de um litro com 1,0 ou 1,8 kg de cimento, conforme o grau de compactação. b) O traço dos agregados em volume e do cimento em massa é um sistema um pouco melhor. Fixam-se o cimento e a água em peso e, os agregados miúdos e graúdos são medidos em volume. Como o cimento e a água são os elementos que mais influência têm na resistência, o seu controle em peso praticamente garante a resistência que se deseja, com relativa regularidade. É um método rápido e muito bom para obras médias. c) O traço em massa de todos os materiais é utilizado nas centrais de concreto e em grandes obras. Pesa-se automaticamente tudo que entra na betoneira: agregados, cimento e água. Obtém-se assim uma resistência requerida correta e um concreto uniforme. Pc = Peso de cimento (ou melhor massa de cimento), MEc = Massa específica do cimento, MEa = Massa específica da areia, MEb = Massa específica da brita, a/c = Relação água/cimento. A fórmula acima pode ser assim deduzida: O traço em massa também pode assim ser apresentado: Quantidade de materiais por metro cúbico de concreto A partir do traço unitário em massa, podemos considerar a fórmula abaixo para calcular a quantidade de cimento para produzir 1m3 de concreto: 208 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I Volume de concreto = Volume de cheios de cimento + Volume de cheios de areia + Volume de cheios de brita + Volume de cheios de água, isto é: Para calcular a quantidade dos outros materiais, deve-se proceder como mostrado abaixo. Para ficar mais próximo da realidade, diremos que massa de cimento é o mesmo que peso de cimento (apesar de sabermos que não é), podendo-se aplicar esta mesma idéia para os outros materiais. Colocando Pc em evidência: Para um volume de 1m3 de concreto, ou 1000dm3, teremos: 209 ,cqd 3.4 Resistência à compressão do concreto (Rc) – A resistência à compressão é a principal propriedade do concreto endurecido. As pedras dos agregados devem ser sempre de uma rocha muito mais resistente do que a pasta de água e cimento. O concreto rompe na pasta, na maioria das vezes na zona de transição, seu ponto mais fraco, e não nas pedras. O fenômeno do endurecimento resulta da coesão (força de aderência) desenvolvida entre os cristais que se formam na pasta de cimento. A existência de vazios na pasta, diminui a superfície de contato dos cristais e reduz a resistência da pasta. O excesso de água, necessária até certo limite para dar consistência conveniente ao concreto, em relação à necessária para as reações químicas com o cimento, dá origem aos poros situados entre os cristais, diminuindo-lhes a superfície de contato. Portanto, quanto mais água em relação ao cimento da pasta, tanto mais poros e menor a resistência, que vai depender, assim, da relação a/c (A/C). Para certos casos, um traço de 1:7 poderá dar a mesma resistência que a da riquíssima dosagem 1:4. O resultado depende unicamente dos teores relativos de água e de cimento. Não se deve concluir, entretanto, que os traços pobres podem substituir, sem limites, as dosagens ricas. A prática exige que se empregue água suficiente para a obtenção de um concreto plástico ou trabalhável. Este critério de "trabalhabilidade" ditará, em todos os casos, a mínima quantidade de água que deve ser usada. Daí a necessidade de ter-se em mente a seguinte regra: "Empregue a menor quantidade de água que lhe possa assegurar um concreto plástico". Torna-se, desse modo, evidente a importância de qualquer método de traçar, misturar e colocar o concreto, que permita ao construtor reduzir ao mínimo a relação a/c. Em dosagem de concreto designamos um peso de água por "a"; e um peso de cimento por "c". O que manda na resistência do concreto é a relação água/cimento (a/c). 3.4.1. Importância da relação água/cimento A importância da relação a/c na resistência do concreto, vai ser posta em destaque com as seguintes considerações: 210 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I 1 L de água colocado a mais numa massada de concreto de um saco de cimento reduz-lhe a resistência na mesma proporção que se verificaria se dela fossem tirados cerca de 2 kg de cimento. A razão pela qual um traço mais rico dá uma resistência mais elevada não é exclusivamente devida à maior quantidade de cimento empregada, mas também porque esse concreto é usualmente suscetível de ser amassado, com uma quantidade de água tal que lhe garanta uma relação a/c menor do que a dos traços pobres. Uma mesma relação a/c não oferece resistência igual para qualquer cimento, já que eles variam. Numa obra, adotada uma dada marca, pode-se saber qual a resistência correspondente a cada relação a/c. Para isso existem curvas feitas em laboratórios. Ao se iniciar a obra, o engenheiro já deve ter os cálculos dessa relação e saber os esforços a que cada peça vai ser submetida. Com um coeficiente de segurança ele calcula, então, a resistência que o concreto deve apresentar para resistir a esses esforços. Conhecendo a resistência de que precisa para o concreto, e já tendo escolhido uma marca de cimento, o engenheiro usa a curva desse cimento, que dá a resistência para cada relação a/c. Assim, ele tira, da curva, a relação a/c que deve ser usada e respeitada na obra. Para se chegar ao traço, falta saber quanto se deve adicionar de agregado miúdo e graúdo, sendo que, quanto maior for a quantidade desses materiais, tanto mais barato ficará o concreto. Existe, entretanto, um limite: o concreto deve ser plástico e trabalhável. Podemos afirmar que trabalhabilidade é a propriedade do concreto fresco que identifica sua maior ou menor aptidão de ser empregado com determinada finalidade, sem perda da sua homogeneidade. Além da relação a/c, outros fatores que influem na resistência do concreto são: a) Qualidade da água: a água não deverá conter elementos que perturbem as reações de endurecimento, como óleo, ácidos etc. b) Impurezas no agregado: a existência de matéria orgânica e de argila, além de certos limites, enfraquece a pasta: diminui, portanto, a resistência do concreto. Causas que originam concretos de consistência não-plástica: a) quantidade de água muito baixa; b) quantidade de agregado muito elevada; c) proporção de agregado graúdo muito elevada em relação ao agregado miúdo. Um concreto de consistência plástica pode apresentar-se com diversos aspectos, segundo seu graude mobilidade, maior ou menor facilidade que apresenta para ser moldado e para deslizar entre os ferros da armadura, sem separação de seus componentes. A natureza da obra, o espaçamento das paredes das formas e a distribuição de ferros impõem uma consistência adequada. 3.5. Propriedade do Concreto Fresco 3.5.1. Medida da consistência do concreto A medida da consistência serve usualmente como uma aproximação da medida efetiva da trabalhabilidade. 211 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I Os processos mais comuns baseiam-se na aplicação de uma determinada força e a medida da deformação causada; ou a determinação de força - ou trabalho - necessária para produzir uma deformação preestabelecida. Um dos métodos mais conhecidos e utilizados, especialmente no Brasil, devido à simplicidade e facilidade de uso na obra, é o ensaio de abatimento, que nada mais é que o "slump test" dos americanos (veja maiores detalhes abaixo). Como se pode verificar, o índice ou grau de consistência é dado pelo abatimento do concreto, expresso em milímetros. O ensaio de abatimento tem seu campo de ação limitado a determinados tipos de concretos, não sendo aplicável a concretos muito secos e a concretos pobres em agregados finos. Conforme aumenta a proporção de agregados nos traços diminui a precisão da medida da consistência pelo abatimento, pois a massa se desagrega ao erguer-se a forma em lugar de se abater, embora o concreto seja suficientemente trabalhável para muitas aplicações. O ensaio de abatimento é, pois, normalmente empregado para controlar a constância do fator a/c. O ensaio e a aparelhagem para medida da consistência pelo abatimento consistem em: dentro de uma forma tronco-cônica de diâmetro de 100 a 200 mm e altura de 300 mm, é colocada uma massa de concreto em três camadas iguais, adensadas, cada uma com 25 golpes, com uma barra de 16 mm de diâmetro e 600 mm de comprimento. Retira-se o molde, devagar, levantando-o verticalmente e determina-se a diferença entre a altura do molde e a da massa de concreto após assentada. 3.5.2. Dados práticos sobre os limites de consistência Considerando uma certa obra (dimensões das peças e tipo de armaduras), supondo satisfatória a dimensão máxima do agregado e admitindo o uso de determinado processo para o transporte, lançamento e adensamento, a trabalhabilidade dependerá apenas da consistência do concreto. Num dado caso de aplicação será possível, entretanto, utilizar-se uma série de misturas, todas trabalháveis, mas com consistências que variam dentro de certos limites: concretos secos, plásticos e fluidos. Assim sendo, a natureza da obra e a energia de adensamento indicarão o grau de consistência (abatimento) mais conveniente para o concreto. 212 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I SLUMP TEST A NBR 6118 diz que a consistência do concreto deve estar de acordo, a critério da fiscalização, com as dimensões da peça a concretar, com a distribuição das armaduras no seu interior e com os processos de lançamento e de adensamento a serem utilizados. A tabela a seguir fornece indicações úteis sobre os limites dos índices de consistência, em função dos diferentes tipos de obras e processos de adensamento. 213 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I Consistência Abatimento (mm) Tipos de obra e condições de lançamento Extremamente seca 0 Pré-fabricação. Condições especiais de adensamento. Muito seca 0 Grandes massas; pavimentação; vibração muito energética. Seca 0 a 20 Estruturas de concreto armado ou protendido; vibração energética. 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 responsabilidades; adensamento manual. Fluida (líquida) 200 a 250 Concreto auto-adensável adequado para concretagens submersas. 3.5.3. Trabalhabilidade É a propriedade do concreto fresco que identifica sua maior ou menor aptidão para ser empregado com determinada facilidade sem perda de sua homogeneidade, de acordo com as características da obra e dos métodos adotados para o transporte, lançamento e adensamento do concreto. Fixada a resistência, com o estabelecimento de um dado valor para a relação a/c, resta ao engenheiro ou mestre assegurar à massa uma consistência compatível com a natureza da obra. À medida que a parede das formas vão se aproximando e os ferros se tornando mais numerosos, maior é o grau de plasticidade exigido da massa para evitar o perigo dos vazios no concreto da estrutura. Economicamente seria desfavorável obter a consistência desejada exclusivamente à custa de um acréscimo de água, pois água em excesso representa diminuição da resistência que, para ser compensada, exigiria mais cimento. O exame da consistência do concreto leva à conclusão de que ela depende da espessura da camada de pasta que envolve as pedras e da consistência da mesma pasta, que é função do tipo de cimento, do tempo de amassamento e, sobretudo, da quantidade de água por quilograma de cimento. A espessura da camada de pasta que envolve as pedras cresce com a redução da quantidade de agregado por quilograma de cimento, com a redução da superfície de agregado a envolver, isto é, com a melhoria da graduação na mescla. Resumindo, a consistência do concreto depende, principalmente, dos seguintes fatores: a) água por quilograma de cimento (relação a/c); b) agregado por quilograma de cimento; c) composição granulométrica do agregado. 214 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I 3.6. Aditivos Os aditivos são empregados na confecção de concretos, argamassa e caldas de injeção. Seu emprego cresce com a necessidade de serem obtidos produtos finais de qualidade superior. Quanto mais desenvolvida a tecnologia do concreto, maior a necessidade de se recorrer aos aditivos. Ao se falar de aditivos não se tem em mente os do cimento, como muitos pensam, pois a sua finalidade não é melhorar a qualidade do cimento e sim proporcionar ou aprimorar certas características de um produto acabado como o concreto. O aditivo não se limita a atuar sobre o aglomerante, mas sobre os três componentes básicos: agregado, cimento e água e nesta ação influem fortemente a natureza e a dosagem de cada um destes elementos. Eles são empregados na confecção de concreto ou argamassa para modificar ou proporcionar certas propriedades do material fresco ou endurecido, tornando-os mais apropriados para serem manuseados ou trabalhados, para incrementar suas características mecânicas, resistências às solicitações físicas ou químicas ou ainda torná-los mais econômicos e duráveis. Para melhor caracterizar os objetivos que se pretende alcançar com o uso dos aditivos, enumeramos a seguir, suas diferentes aplicações: - aumento de compacidade; - acréscimo de resistência aos esforços mecânicos; - melhoria da trabalhabilidade; - diminuição da higroscopicidade; - redução da permeabilidade; - diminuição da retração; - aumento da durabilidade; - melhora do endurecimento nas concretagens em tempo frio; - aptidão para ser injetado; - possibilidade de retirada dos cimbres e formas em curto prazo; - preparo de concretos leves; - diminuição do calor de hidratação; - retardamento ou aceleração da pega; - obtenção de concretos auto-adensantes e autonivelantes. Os aditivos podem ser classificados em: a) plastificantes; b) superplastificantes, fluidificantes; c) incorporadores de ar; d)produtos de cura; e) dispersores; f) impermeabilizantes; g) produtores de gás ou espuma; aditivos combinando dois ou mais efeitos, exemplo: plastificante retardador. a) Os Plastificantes - têm por finalidade melhorar a plasticidade das argamassas e concretos, permitindo, em conseqüência, melhor compactação com menor dispêndio de energia ou, 215 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I então, redução da quantidade de água, diminuindo a retração, aumentando a resistência ou economizando aglomerante (cimento). b) Os Superplastificantes (fluidificantes) - têm um efeito semelhante ao dos plastificantes, porém muito mais intenso. São usados para obtenção de concretos de alta resistência (devido à redução de água de amassamento em até 25% ou 30%) e para obtenção de concretos reoplásticos, devido ao efeito de superplastificação (aumento típico de abatimento de 40 mm para 220 mm). c) Os Incorporadores de ar - têm por principal propósito aumentar a durabilidade das argamassas e concretos; melhoram também a plasticidade, facilitando a utilização. São muito usados em concretos com baixo teor de cimento para melhorar a coesão e diminuir a exsudação. d) Os Produtos de cura - substâncias pulverizáveis sobre o concreto, logo após seu lançamento, para obturar os capilares da superfície e impedir a evaporação da água de amassamento nos primeiros dias. São de uso muito interessante nos lugares de baixa higrometria ou em concretos sujeitos à insolação e aos ventos fortes. e) Os Dispersores - produtos que, por sua absorção à superfície dos grãos de cimento e elementos mais finos de areia defloculam os grãos mantendo-os num estado de dispersão estável, em face das ações repulsivas de natureza elétrica. São utilizados quer para melhorar a resistência mecânica quer para obtenção de argamassas injetáveis. A mesma argamassa coloidal pode ser obtida pela laminação dos grãos em aparelho especial, dotado de alta velocidade, que os eletriza temporariamente por choques e atritos. f) Os lmpermeabilizantes - agem ou por obturação dos poros ou por ação repulsiva com relação à água. g) Os Produtores de gás ou espuma - aditivos capazes de produzir, na massa do concreto, bolhas de gás ou espuma, dando origem aos concretos porosos. 216 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I O quadro abaixo foi retirado do Informativo Técnico "Tecnologia do concreto armado" n° 5, agosto de 1999. Aditivos / Tipos Efeitos Usos / Vantagens Desvantagens 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 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; Bom desempenho em concretos de baixo consumo de cimento Necessita controle cuidadoso da porcentagem de ar incorporado e do tempo de mistura; O aumento da trabalhabilidade pode ser inaceitável Efeitos iniciais significativos Superplastifi- cantes (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 217 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I 3.7. Propriedades do concreto endurecido e sua importância A escolha de um material de engenharia, para uma aplicação específica, deve levar em conta a sua capacidade de resistir a uma força aplicada. Tradicionalmente, a deformação decorrente de cargas aplicadas é expressa em deformação específica, definida como a mudança do comprimento por unidade de comprimento; a carga é expressa em tensão, definida como a força por unidade de área. Dependendo de como agem sobre o material, as tensões poderão ser distinguidas umas das outras, por exemplo: compressão, tração, flexão, cisalhamento e torção. As relações tensão-deformação dos materiais são geralmente expressas em termos de resistência, módulo de elasticidade, dutilidade e tenacidade. Resistência é a medida da tensão exigida para romper o material. No projeto das estruturas de concreto, considera-se o concreto como o material mais adequado para resistir a carga de compressão; é por isso que a resistência à compressão do material é geralmente especificada. Sendo a resistência do concreto função do processo de hidratação do cimento, o qual é relativamente lento, tradicionalmente as especificações e ensaios de resistência do concreto são baseados em corpos de prova curados em condições específicas de temperatura e umidade por um período de 28 dias. Como exposto anteriormente, para a maioria das aplicações, é usado o concreto de resistência moderada (resistência à compressão de 20 a 40 MPa), apesar de recentemente estarem sendo produzidos comercialmente concretos de alta resistência de até 130 MPa. Pode-se mencionar aqui que as resistências à tração e à flexão típicas do concreto são da ordem de l0 e 15 %, respectivamente, da resistência à compressão. A razão desta grande diferença entre resistência à tração e à compressão é atribuída à estrutura heterogênea e complexa do concreto. 3.7.1. Resistência do concreto - Fazendo uma breve dissertação Quanto à resistência aos esforços mecânicos o concreto é um material que resiste bem aos esforços de compressão e mal aos de tração. Sua resistência à tração é da ordem da décima parte da resistência à compressão. Nos ensaios de flexão obtêm-se tensões de ruptura da ordem do dobro das tensões por tração. Para o ensaio à compressão de corpos de prova de concreto devemos seguir a Norma Brasileira NBR 5739. Para a moldagem e curade corpos de prova devemos utilizar a Norma Brasileira NBR 5738. A resistência à tração por compressão diametral de concreto é feita através do Método Lobo Carneiro, NBR 7222 que consiste em ensaiar, em posição horizontal, entre os pratos de uma máquina de compressão, um corpo de prova cilíndrico de concreto, a fim de submetê-lo a uma compressão diametral entre duas geratrizes diametralmente opostas. A resistência à tração na flexão é determinada pelo ensaio de vigas, em geral de seção transversal quadrada de 15 cm de lado e comprimento de 50 cm, ou com carga P concentrada no meio do vão, ou com duas cargas P/2 aplicadas nos terços do vão. Este último tipo de carregamento é o mais usado. 218 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I Concreto - Ensaio de compressão de corpos-de-prova cilíndricos - NBR 5739/1994 A resistência à compressão do concreto é calculada pela seguinte fórmula: Onde: P = carga de ruptura; S = área da seção transversal do corpo de prova; fC = resistência à compressão. Obs. Item 5.2.1 "Apresentação dos resultados" da NBR 5739: O certificado de resultados de ensaio de corpos de prova moldados segundo a NBR 5738 deve conter as seguintes informações: a) número de identificação do corpo de prova; b) data de moldagem; c) idade do corpo de prova; d) data do ensaio; e) resistência à compressão, expressa com aproximação de 0,1 MPa f) tipo de ruptura do corpo de prova. Informações facultativas no certificado: a) classe e data da última verificação da máquina de ensaio; b) carga de ruptura, expressa em MN; c) área da seção transversal, expressa em m2; d) defeitos do corpo de prova e capeamento; e) marca, tipo e classe do cimento; f) origem dos agregados; g) traço em massa do concreto; h) resistência característica (fck) do concreto. 219 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I A resistência à tração por compressão diametral é calculada pela seguinte expressão: 2 x P n x D x L Onde: ftD = resistência á tração por compressão diametral, expressa em MPa, com aproximação de 0,05 MPa; P = carga máxima obtida no ensaio (kN); D = diâmetro do corpo de prova (mm); L = altura do corpo de prova (mm). Item 5.2 da NBR 7222: O certificado do ensaio deve conter as seguintes informações: a) procedência do corpo de prova; b) identificação do corpo de prova; c) data de moldagem; d) idade do corpo de prova; e) data do ensaio; f) diâmetro e altura do corpo de prova; g) defeitos eventuais do corpo de prova; h) carga máxima; i) resistência à tração por compressão diametral em MPa, com aproximação de 0,05 MPa. • Argamassa e Concreto - Determinação da resistência à tração por compressão diametral de corpos-de-prova cilíndricos - NBR 7222/1994 Vistas do corpo de prova rompido por compressão diametral. 220 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I • Concreto - Determinação da resistência à tração na flexão em corpos-de-prova prismáticos - MB 3483 Cutelos de apoio - distanciados de l Item 5.1 da MB 3483: Caso a ruptura ocorra no terço médio da distância entre os elementos de apoio, calcular a resistência à tração na flexão pela expressão: Onde: fctM = resistência à tração na flexão, em MPa; P = carga máxima aplicada, em N; l = distância entre cutelos de suporte, em mm; b = largura média do corpo de prova na seção de ruptura em mm; d = altura média do corpo de prova, na seção de ruptura, em mm. Caso a ruptura ocorra fora do terço médio, a resistência à tração é calculada de outra maneira. Para maiores detalhes consulte a MB 3483. 221 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I Exercício Prepare um certificado de ensaio para um cliente dos seguintes ensaios realizados em um laboratório e interprete-os como sendo o engenheiro que os tenha recebido, fazendo uma análise entre os resultados obtidos com relação às resistências mecânicas: Concreto "x": Ensaio 1: Ensaio de resistência à compressão axial. Dados: • Dimensões do corpo de prova cilíndrico: 15 x 30 cm; • Idade do rompimento: 3 dias; • Carga de ruptura: 11.000 kgf. Ensaio 2: Ensaio de resistência à tração por compressão diametral. Dados: • Dimensões do corpo de prova cilíndrico: 15 x 30 cm; • Idade do rompimento: 3 dias; • Carga de ruptura: 5.500 kgf. Ensaio 3: Ensaio de resistência à tração na flexão. Dados: • Dimensões do corpo de prova prismático: l = 60 cm; b = d = 15 cm; • Idade do rompimento: 3 dias; • Carga de ruptura: 800 kgf. Concreto "y": Ensaio 1: Ensaio de resistência à compressão axial. Dados: • Dimensões dos corpos de prova cilíndricos: 10 x 20 cm; • Idade do rompimento: 3 dias; • Carga de ruptura: 30.000 kgf e 31.000 kgf. Faça suposições se necessário, para algumas conclusões. Para muitos materiais de engenharia, tal como o aço, o comportamento tensão-deformação observado quando um corpo de prova é submetido a incrementos de carga pode ser dividido em duas partes. A primeira parte, quando a elasticidade é proporcional à tensão aplicada e é reversível quando o corpo de prova é descarregado, é chamada deformação elástica. O módulo de elasticidade é definido como a relação entre a tensão e essa deformação reversível. Em materiais homogêneos, o módulo de elasticidade é a medida das forças de ligação interatômicas e não é afetada por mudanças microestruturais. Isto não é válido para materiais multifásicos como o concreto. O módulo de elasticidade à compressão do concreto, varia de 14 x 103 a 40 x l03 MPa. O significado do limite de elasticidade em projeto estrutural é devido ao fato dele representar a deformação máxima permitida antes do material adquirir deformação permanente. Portanto, o engenheiro deve conhecer o módulo de elasticidade do material porque ele influi no cálculo estrutural. 222 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I A um alto nível de tensão, a deformação não mais permanece proporcional à tensão aplicada, tornando-se também permanente (isto é, não será recuperada, se o corpo de prova for descarregado). Essa deformação é chamada deformação plástica ou permanente. A quantidade de deformação permanente que pode ocorrer antes do rompimento é uma medida da dutilidade do material. A energia necessária para romper o material, produto da força vezes a distância, é representada pela área sob a curva tensão-deformação. O termo tenacidade é usado como medida desta energia. A diferença entre a tenacidade e a resistência deve ser observada; a primeira é a medida da energia, enquanto que a última é a medida da tensão necessária para fraturar o material. Então, dois materiais podem ter resistências idênticas, porém diferentes valores de tenacidade. Entretanto, em geral, quando a resistência de um material cresce, a dutilidade e a tenacidade diminuem; materiais com alta resistência normalmente rompem de maneira brusca (isto é, sem que ocorra uma deformação não elástica ou permanente significativa). Para aplicações práticas, entretanto, projetistas não consideram o concreto como um material dútil e não o recomendam para uso em condições onde ele é submetido a impactos pesados, a não ser quando armado com aço. Através de observações do comportamento elasto-plástico, o concreto parece ser um material complexo. Muitas características desse material composto não seguem as leis de mistura de dois componentes. Por exemplo, sob carga de compressão, tantoo agregado como a pasta, testados separadamente, romperiam elasticamente, enquanto que o concreto mostra um comportamento inelástico antes da ruptura. A resistência do concreto, porém, é, em geral, mais baixa do que as resistências individuais dos dois componentes. Estas anomalias no comportamento do concreto são explicadas com base na sua estrutura, na qual a zona de transição entre o agregado graúdo e a pasta tem um papel muito importante. O fenômeno do aumento gradual de deformação com o tempo, sob tensão constante, é chamado fluência. Quando a fluência do concreto é restringida, manifesta-se uma diminuição progressiva da tensão com o tempo. O alívio de tensão associado com a fluência tem implicações importantes no comportamento tanto do concreto simples como do protendido. As deformações podem surgir ou aparecer mesmo no concreto não carregado por causa de mudanças na umidade e na temperatura ambientes. O concreto fresco sofre retração de secagem quando exposto à umidade ambiente. Analogamente, deformações de contração térmica aparecem quando o concreto quente é resfriado à temperatura ambiente. Elementos com grande volume de concreto podem registrar considerável aumento de temperatura devido à baixa dissipação do calor liberado na hidratação do cimento, ocorrendo a retração térmica no resfriamento do concreto quente. As deformações de retração térmica são críticas no concreto porque, quando restringidas, manifestam-se como tensões de tração. Sendo a resistência de tração do concreto baixa, as estruturas de concreto muitas vezes fissuram, como resultado do impedimento da retração, causado por mudanças, de umidade ou de temperatura. De fato, a tendência à fissuração do material é uma das mais sérias desvantagens da construção em concreto. As deformações causadoras da mudança de volume podem ser agrupadas em: a) causadas pelas variações das condições ambientais, tais como: - retração; - variação de umidade; - variação de temperatura. b) causadas pela ação de cargas externas que originam: - deformação imediata; - deformação lenta (fluência). 223 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I As deformações que podem ocorrer numa estrutura de concreto, motivadas pelas variações do teor de água, são classificadas em: a) retração - contração inicial que se verifica pela reação do cimento e água; b) mudanças de volume por variações de umidade; expansões e contrações devidas à absorção e perda de água, respectivamente. Tanto a retração quanto a fluência estão relacionadas com o teor de pasta do concreto, isso devido ao fato de que esses fenômenos ocorrem na pasta sendo o agregado um elemento que restringe essas deformações. Finalmente, o julgamento profissional na seleção de um material deve levar em consideração não somente a resistência, a estabilidade dimensional e as propriedades elásticas do material, mas também a sua durabilidade, a qual tem sérias implicações econômicas nos custos de manutenção e substituição de uma estrutura. A durabilidade é definida como a vida útil de um material sob dadas condições ambientes. Normalmente, concretos densos ou impermeáveis, apresentam durabilidade a longo prazo. Concretos permeáveis, entretanto, são menos duráveis. A permeabilidade do concreto depende não somente das proporções da mistura, da compactação e da cura, mas também das microfissuras causadas pelos ciclos normais de temperatura e de umidade. Geralmente, há uma estreita relação entre resistência e durabilidade do concreto. A resistência mecânica é, na grande maioria das aplicações, a propriedade que mais interessa no concreto. Não são raros, porém, os empregos em que a permeabilidade e outros atributos devem ser considerados. Além dessas propriedades, cabe acrescentar que o concreto deve, sempre, em cada caso especial de aplicação, apresentar um mínimo de qualidade, de sorte a poder enfrentar com sucesso, ao longo do tempo, as demais condições de exposição a que for submetido. Isto porque, embora o concreto se destine a suportar uma carga pequena ou uma fraca pressão de água, é possível atender-se apenas àqueles fatores sem o risco de eventualmente comprometer sua durabilidade. A massa específica do concreto normalmente utilizada é a massa da unidade de volume, incluindo os vazios. Varia entre 2.300 e 2.500 kg/m3. Com a utilização de agregados leves é possível reduzir esse valor (da ordem de 1 .800 kg/m3). Em alguns casos, especialmente para paredes de salas de reatores atômicos, usam-se concretos pesados, em que o agregado graúdo é barita ou magnetita, hematita etc. (aproximadamente 3.700 kg/m3). Os principais fatores que afetam a resistência mecânica são: - relação a/c; - idade; - forma e granulometria dos agregados; - tipo de cimento; - forma e dimensões dos corpos de prova. Com relação ao fator a/c é ponto pacífico, na tecnologia, ser ele o principal elemento, governando as propriedades referentes à resistência aos esforços mecânicos. Como regra geral devemos dizer que a resistência varia em razão inversa da relação a/c, dentro dos limites práticos de aplicação. Na prática, em virtude da necessidade de se dar ao concreto uma consistência conveniente, a relação a/c da pasta é sempre bem superior à necessidade para a efetivação das reações 224 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I de hidratação do aglomerante. A parte excedente da água se distribui na massa, formando vazios, poros, que prejudicam as propriedades do concreto endurecido (resistência mecânica, permeabilidade etc.). Permeabilidade e absorção: o concreto é um material que, por sua própria constituição, é necessariamente poroso, pois não é possível preencher a totalidade dos vazios do agregado com uma pasta de cimento. A permeabilidade torna-se a principal propriedade para os concretos que, expostos ao ar, sofrem os ataques de águas agressivas ou a ação destrutiva dos agentes atmosféricos. Da mesma forma, assume importância essa propriedade nos concretos de estruturas hidráulicas. A absorção é o processo físico pelo qual a água penetra nos poros e condutos capilares do concreto. A permeabilidade é a propriedade que identifica a possibilidade de passagem da água através do material. Essa passagem pode ser: - por filtração sob pressão; - por difusão através dos condutos capilares; - por capilaridade. 3.8. Produção do Concreto 3.8.1. Mistura Segundo a NBR 7212 podemos ter três tipos de misturas: a) Mistura completa em equipamento estacionário: Os materiais componentes, devidamente dosados, são colocados no equipamento e após obtida uma mistura completa e homogênea, descarregados em veículos para transporte até a obra. b) Mistura completa em caminhão-betoneira na central: Os materiais componentes são colocados no caminhão-betoneira na ordem conveniente. Esta ordem e a velocidade de rotação para mistura devem obedecer às especificações do equipamento ou conforme indicado por experiência. c) Mistura parcial na central e complementação em obra: Os componentes são colocados no caminhão-betoneira, com parte da água, que é complementada na obra, antes da mistura final e descarga. Neste caso deve ser estabelecido um sistema rigoroso de controle da quantidade de água adicionada na central e a ser completada na obra, para não ultrapassar a prevista no traço. Quanto ao equipamento de mistura podemos classificar as centrais (tanto as verticais quanto as horizontais) em: • dosadoras; • dosadoras e misturadoras. Os equipamentos devem ser revisados periodicamente a fim de se assegurar a eficiência necessária para a mistura. Obviamente o volume de concreto não deve exceder a capacidade nominal do equipamento, conforme especificaçãodo fabricante. 225 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I A NBR 7212 permite a adição suplementar de água para correção de abatimento, devido à evaporação, antes de iniciada a descarga, desde que: a) antes da adição o valor do abatimento seja igual ou maior do que 10 mm; b) esta correção não aumente o abatimento em mais de 25 mm. c) o abatimento, após a correção, não seja maior do que o limite máximo especificado; d) o tempo transcorrido entre a primeira adição de água aos materiais, até o início da descarga, não seja menor do que 15 minutos. Esta adição suplementar mantém a responsabilidade da central, pelas propriedades do concreto constantes no pedido, e deve ser autorizada por representantes das partes. Tal fato deve ser registrado no documento de entrega. Outra adição de água, exigida por parte da obra, exime a central da responsabilidade acima. Este fato deve ser obrigatoriamente registrado no documento de entrega. 3.8.2. Transporte O transporte do concreto pode ser feito por veículo dotado ou não de agitação (caminhão- betoneira ou caminhão-basculante). Deve apresentar estanqueidade necessária, fundo e paredes revestidos de material não-absorvente, para que não haja perda de qualquer componente. O transporte com caminhão-basculante pode ser feito somente para concretos não-segregáveis, com abatimento não maior do que 40 mm. O tempo de transporte, prescrito na NBR 7212, decorrido entre o início da mistura, a partir do momento da primeira adição de água, até a entrega do concreto, deve ser: a) fixado de forma que o fim do adensamento não ocorra após o início de pega do concreto lançado e das partes ou camadas contíguas a essa remessa (evitando-se formação de junta); b) para caminhão-betoneira: inferior a 90 minutos e de modo que até o fim da descarga seja de no máximo 150 minutos; c) para caminhão-basculante: inferior a 40 minutos e de modo que até o fim da descarga seja de no máximo 60 minutos. Os tempos acima podem ser alterados, em função de condições especiais, como temperatura, uso de aditivos retardadores e outros. O transporte do concreto só é finalizado quando este chega à peça a ser concretada. Quando não é possível se atingir a peça com o caminhão- betoneira ou caminhão-basculante, o transporte pode ser classificado em: - contínuo: calhas, correias transportadoras e bombas; - descontínuo: jiricas, carrinho de mão, caçambas, elevadores, gruas, guinchos e outros. Atualmente as bombas de concreto têm sido largamente utilizadas. Podemos classificá-las em três tipos: a) Estacionária b) Auto-Bomba c) Auto-Bomba com Mastro de Distribuição. Quanto ao sistema, temos: a) Válvulas múltiplas ou barras corrediças: consistem em quatro pistões hidráulicos, que acionam quatro pás conjugadas ou duas barras corrediças, conhecidas como comportas ou gavetas. b) Válvula tipo borboleta ou Flaper: é comandada somente com um pistão hidráulico. Esta válvula consiste em uma chapa com eixo central, para fixação, e uma pequena movimentação numa amplitude de 45°, permitindo admissão e descarga do concreto. c) Fluxo direto-tromba - "S" e Rockschieber : consiste em um tubo de redução que se movimenta dentro da tremonha, produzindo um fluxo direto. 226 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I d) Via direta do concreto para o mastro distribuidor. 3.8.3. Lançamento No lançamento do concreto devem ser tomadas algumas precauções, entre elas: • Em hipótese alguma faz-se o lançamento após o início de pega. • As formas devem ser molhadas, evitando, assim, a absorção da água de amassamento. Devem ser estanques para evitar a fuga da nata de cimento. • Observar a limpeza da armadura. • Verificar a posição e firmeza dos espaçadores. • As temperaturas ambientes limites entre 10°C e 32°C. Fora desses limites devem ser tomadas precauções. • A altura de queda livre não poderá ultrapassar 2 m; para peças estreitas e altas, o concreto deverá ser lançado por janelas abertas na parte lateral, ou por meio de funis ou trombas. • Nos lançamentos a serem feitos a seco devem-se tomar os cuidados para que não haja água no local a fim de que o concreto não seja lavado. • Quando o lançamento for submerso o concreto deve ter, no mínimo, 350 kg de cimento por metro cúbico, possuir consistência plástica e ser levado dentro da água por uma tubulação, mantendo-se a ponta do tubo imersa no concreto já lançado, a fim de evitar que ele caia através da água. Este lançamento não deve ser feito quando a temperatura da água for inferior a 5°C, estando o concreto com temperatura normal, nem quando a velocidade da água for superior a 2 m/s. • lançamento sobre terra é desaconselhável pois esta absorve a nata de cimento e a água de amassamento, além de se misturar, prejudicando a qualidade do concreto. 3.8.4. Adensamento Durante e imediatamente após o lançamento, o concreto deverá ser adensado com equipamento adequado à trabalhabilidade. O adensamento tem, por objetivo, deslocar os elementos que compõem o concreto, acomodá-los de forma que ocupem os vazios e desalojar o ar, para se obter maior compacidade. O adensamento deverá ser feito cuidadosamente, preenchendo os recantos das formas, a fim de que não se formem ninhos e para evitar a segregação dos materiais. O adensamento poderá ser: • Manual: por socamento ou apiloamento com uma barra metálica. • Mecânico: por meio de vibradores. Para obter-se um bom adensamento é necessário observar alguns cuidados: • As camadas de concreto a ser vibrado mecanicamente devem estar entre 45 cm e 60 cm, ao passo que no socamento manual as espessuras das camadas não devem ser maiores de 30 cm a 45 cm. • adensamento em camadas muito finas facilita a segregação. • Evitar, sempre que possível, a vibração para fazer correr o concreto lateralmente nas formas, pois isso diminui o rendimento útil da vibração e provoca segregação. • socamento manual deve ser realizado a pequenos intervalos. • Os vibradores internos devem ser inseridos e retirados vagarosamente no concreto com o aparelho em funcionamento, nas posições vertical ou horizontal, de acordo com a natureza da peça a ser concretada. • tempo de vibração deve corresponder, no mínimo, a 90 segundos por metro quadrado. 227 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I • Evitar a vibração da armadura, para que não se formem vazios ao seu redor, com prejuízo da aderência. 3.8.5. Cura ou sazonamento É o conjunto de medidas que tem por objetivo evitar a evaporação da água adicionada ao concreto na ocasião do seu preparo, permitindo assim uma melhor hidratação dos grãos de cimento, conseqüentemente um concreto de melhor qualidade. É obtida, portanto, mantendo a superfície concretada umedecida ou protegida com uma película impermeável. Deve ser iniciada após o adensamento e mantida durante pelo menos mais sete dias. A inexistência desta etapa pode acarretar deficiência na qualidade do concreto, uma vez que a falta de água inibe as reações do cimento, provocando: • diminuição da resistência; • aumento da permeabilidade; • diminuição da durabilidade. O endurecimento do concreto poderá ser antecipado por tratamento térmico adequado e devidamente controlado, não devendo ser dispensadas as medidas de proteção contra a secagem. 3.8.6. Métodos de cura • Irrigação ou Aspersão de água; • Submersão; • Recobrimento: utiliza-se areia, terra, sacos de aniagem rompidos. Embora evite a ação direta do sol e do vento, não impede a evaporação, por absorção, da umidade do concreto pelo ar ambiente, por isso é um método muito falho; • Recobrimento com plásticos: envolvem-se as peças com plásticos ou papéis impermeáveis, quedevem ser presos e vedados nas extremidades, para evitar a passagem de corrente de ar, que favorece a secagem rápida; • Conservação das formas: aplicável em peças onde as formas protegem a maior parte da superfície (geralmente pilares e vigas); • Impermeabilização por pinturas; • Aplicação de cloreto de cálcio: a aplicação de cloreto de cálcio na proporção de 800 a 1000g por m2, provoca a absorção de água do ambiente, mantendo a superfície úmida. É importante remover o sal posteriormente nas peças em que o recobrimento das armaduras for delgado, evitando o ataque químico das armaduras; • Membranas de cura: as membranas de cura mantêm a impermeabilidade superficial do concreto por um certo período de tempo, em geral 3 a 4 semanas, evitando assim, a rápida secagem do concreto, através de um filme impermeável que dura aproximadamente esse tempo. 3.9. Centrais de concreto / Processos e Sistemas Central de concreto é um conjunto de instalações e equipamentos necessários para o armazenamento, manuseio, proporcionamento e carregamento dos materiais componentes, homogeneização da mistura, transporte e lançamento do concreto, que permitem assegurar a qualidade exigida. Essas instalações e procedimentos devem atender no mínimo ao que é estabelecido pela Norma Brasileira NBR 7212 - Concreto Dosado em Central. 228 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I Uma central de concreto abrange serviços de administração, vendas, faturamento, cobrança, programação, controle de qualidade, assessoria técnica, treinamento e aperfeiçoamento profissional. 3.9.1. Recebimento dos materiais componentes No recebimento dos agregados são verificados principalmente: - Tipo e procedência; - Volume, através de medição ou pesagem; - Granulometria; - Contaminação por materiais estranhos. Tratando-se do cimento (em carretas ou vagões) são observados: - Tipo, marca e classe; - Peso; - lnalterabilidade do lacre. No recebimento dos aditivos são verificados: - Tipo, marca e função; - Data de fabricação; - Prazo de estocagem Em caso de haver qualquer anormalidade, por motivo identificado ou não, a carga é rejeitada. 3.9.2. Estocagem - Dos Agregados: São estocados de forma a evitar a mistura dos diferentes tipos. Os pátios devem ser devidamente pavimentados e drenados, evitando contaminação com o solo e acúmulo de água. A drenagem e um volume de estoque adequados (não muito reduzido) são fundamentais para se alcançarem as condições ideais de umidade no agregado que permitam controlar a quantidade de água das cargas. - Do Cimento: Pode ser armazenado em sacos, contenedores ou silos, de modo a impedir a mistura de cimentos de características diversas. Os silos herméticos são os melhores para a preservação de todas as propriedades e evitam desperdícios. - Dos Aditivos: Geralmente são fornecidos em tambores, galões, baldes ou latas. Devem ser armazenados em local abrigado, seco e fresco, sendo separados por função e marca. É essencial observar o prazo para ser utilizado a partir da fabricação e a homogeneização quando estocado por longo período. - Da Água: É armazenada de forma a evitar a contaminação e para que não ocorram faltas que paralisem o fornecimento do concreto. As centrais de concreto, através da mistura em proporções convenientes de agregados, aglomerante, água e aditivo, permitem obter um composto que, em função do seu tempo de cura, atinge uma dada resistência à compressão, característica básica dos concretos. Esta resistência, relacionada com a propriedade aglomerante do cimento, torna a precisão de sua composição inicial indispensável para obter qualidade uniforme a custos competitivos. A NBR 7212 estabelece que os agregados e o cimento deverão ser dosados em massa. Em nenhum caso o cimento deve ser dosado em conjunto com os agregados. É admitida a dosagem do cimento em sacos de 50 kg, desde que não sejam fracionados. 229 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I A aferição dos equipamentos de dosagem é indispensável. A NBR 7212 estabelece: • as balanças devem ser aferidas periodicamente, de forma a assegurar que a diferença entre a massa real e a indicada não seja superior a 2%; • os dosadores volumétricos devem operar dentro da mesma tolerância. A aferição deve ser feita nas condições de operação; • recomendam-se aferições freqüentes, não ultrapassando 5.000 m3 de concreto dosado ou períodos superiores a três meses. 3.9.3. Disposição da central A disposição dos equipamentos de uma central deve oferecer a melhor rentabilidade operacional e financeira. Conforme esta disposição podemos classificar as centrais em: a) Centrais verticais: Chamadas também de centrais de gravidade, têm-se destacado pela simplicidade dos acionamentos que envolve: a motorização elétrica é mínima, os elementos estruturais e de manuseio de material são mais robustos e menos sujeitos a desgaste (não se usam correias transportadoras, a não ser quando necessário para carregamento dos materiais componentes às caixas de agregado). A compacidade de grandes sistemas é mais viável, tornando as áreas ocupadas menores e as transmissões das balanças dosadoras mais simples. O investimento inicial, entretanto, é mais oneroso, devido ao custo das estruturas metálicas e obras de fundação. O inconveniente principal é a falta de mobilidade do equipamento. São instalações definitivas ou semi-permanentes, para obras de longa duração ou mercados definidos. 230 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I 231 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I b) Centrais horizontais: Exigem acionamentos motorizados em maior quantidade. Fundamentam-se no manuseio dos materiais por correias transportadoras. Estruturalmente são mais simples e as transmissões para as balanças dosadoras são mais trabalhosas. A mobilidade e as pequenas obras de fundação para sua instalação são seus maiores argumentos. O investimento inicial é normalmente inferior ao de uma usina gravimétrica. Também podem existir centrais mistas. 232 Universidade do Estado do Rio de Janeiro - Materiais de Construção Civil I A precisão das dosagens depende, sem dúvida, dos controles das centrais (operações e dispositivos que transmitem os comandos). Genericamente podem ser classificados em manual e automático. a) Controle Manual: lmplica presença de um operador que, de acordo com alguma regra (como operar uma chave, válvula ou alavanca), executa os comandos necessários. Controle Automático: Neste caso, parte ou totalidade das funções do operador é realizada por um equipamento freqüentemente eletrônico. Assim, por exemplo, o acionamento de válvulas, o controle de pesagem, detalhes operacionais, introdução dos materiais na betoneira e outras etapas podem ficar por conta de um computador. 3.9.4. Pedido de concreto A NBR 7212 prescreve as maneiras pelas quais o concreto deverá ser solicitado à central: a) Pela resistência característica à compressão Além da resistência característica devem ser especificados: - a dimensão máxima do agregado graúdo; - o abatimento do concreto fresco no momento da entrega. b) Pelo consumo de cimento Além do consumo de cimento por metro cúbico de concreto devem ser especificados: - a dimensão máxima do agregado graúdo; - o abatimento do concreto fresco no momento da entrega. c) Pela composição da mistura (traço) Especificam-se as quantidades por metro cúbico de concreto de cada um dos componentes, incluindo-se os aditivos. d) Exigências complementares Além das já citadas podem ser solicitadas outras características ou
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