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Concretos Prof. Flávio Maranhão Prof. Mauricio M. Resende Definição Concreto é um material de construção proveniente da mistura de: aglomerantes, agregados e água. a) Aglomerantes: Unem os fragmentos de outros materiais. No concreto, em geral se emprega cimento portland, que reage com a água e endurece com o tempo. b) Agregados: São partículas minerais que aumentam o volume da mistura, reduzindo seu custo. Dependendo das dimensões características φ, dividem-se em dois grupos: • Agregados miúdos: 0,075mm < φ < 4,8mm. Exemplo: areias. • Agregados graúdos: φ ≥ 4,8mm. Exemplo: britas. c) Pasta: Resulta das reações químicas do cimento com a água. Quando há água em excesso, denomina-se nata. d) Argamassa: Provém da pela mistura de cimento, água e agregado miúdo, ou seja, pasta com agregado miúdo. e) Concreto simples: É formado por cimento, água, agregado miúdo e agregado graúdo, ou seja, argamassa e agregado graúdo. Definição http://www.fec.unicamp.br/~almeida/ec702/EESC/introducao.pdf Características Elevada resistência a ação da água Facilidade de confecção nas mais diversas formas, como consequência das características plásticas que apresenta durante o estado fresco. Rapidez com que atinge resistência Baixo valor unitário Grande disponibilidade de matérias primas em todo o mundo •O consumo anual de concreto em todo o mundo é estimado como sendo superior a of 10 bilhões de toneladas •Esse valor torna o concreto o material mais utilizado em todo o munso, apenas superado pela água Consumo Principais propriedades Depois de endurecer, o concreto apresenta: • boa resistência à compressão; • baixa resistência à tração; • comportamento frágil, isto é, rompe com pequenas deformações. Na maior parte das aplicações estruturais, para melhorar as características do concreto, ele é usado junto com outros materiais. Concreto armado É a associação do concreto simples com uma armadura, usualmente constituída por barras de aço. Os dois materiais devem resistir solidariamente aos esforços solicitantes. Essa solidariedade é garantida pela aderência. Outras Vantagens •Baixa manutenção: Concrete does not corrode, needs no surface treatment, and its strength increases with time; therefore, concrete structures requires essentially no maintenance. •Resistência ao fogo: The fire resistance of concrete is perhaps the most important single aspect of offshore safety and, at the same time, the area in which the advantages of concrete are most evident. •Resistência a ciclos de carregamento e descarregamento: In most codes of practice, the allowable concrete stresses are limited to about 50 percent of the ultimate strength; thus the fatigue strength of concrete is generally not a problem. Restrições O concreto apresenta algumas restrições, que precisam ser analisadas Devem ser tomadas as providências adequadas para atenuar suas conseqüências. As principais são: • Baixa resistência à tração, • Fragilidade – baixa tenacidade, • Fissuração durante o endurecimento • Densidade elevada, • Custo de fôrmas para moldagem, • Corrosão das armaduras. Concrete does not corrode, needs no surface treatment, and its strength increases with time; therefore, concrete structures requires essentially no maintenance. O que é concreto? É um material heterogêneo, isotrópico, constituído de agregados de diferentes granulometrias e pasta de cimento endurecida Definição É um material heterogêneo, isotrópico, constituído de agregados de diferentes granulometrias e pasta de cimento endurecida Definição Estrutura Interna do Concreto - microestrutura brita areiaPasta endurecida Fase sólida = pasta endurecida + agregados + água + aditivos + adições Estrutura Interna do Concreto - microestrutura Estrutura Interna do Concreto - microestrutura Scrivener (2004) Estrutura Interna do Concreto - microestrutura CONCRETO = PASTA + AGREGADOS + (zona de transição) Scrivener (2004) Estrutura Interna do Concreto Estrutura Interna do Concreto - microestrutura CONCRETO = PASTA + AGREGADOS + (zona de transição) Estrutura Interna do Concreto CONCRETO = PASTA + AGREGADOS + (zona de transição) FASE AGREGADO Predominantemente responsável pela massa específica, módulo de elasticidade, e estabilidade dimensional do concreto; Pode influir na resistência e durabilidade do concreto; O agregado também funciona como redutor de custos. Estrutura Interna do Concreto FASE PASTA • No concreto fresco, envolve os agregados, enchendo os vazios, dando possibilidade de manuseio. • No concreto endurecido, aglutina os agregados, dando ao conjunto: resistência, certa impermeabilidade, estabilidade dimensional e durabilidade. •Sofre retração durante o endurecimento •É a fase mais vulnerável dos concretos Estrutura Interna do Concreto ZONA DE TRANSIÇÃO •Zona entre as partículas de agregado e a pasta de cimento. •Estrutura mais porosa, grande volume de vazios capilares e de cristais orientados de hidróxido de cálcio e presença de microfissuras. • Elo mais fraco da corrente - Resistência Limite no Concreto; • Influência sobre a permeabilidade e durabilidade do concreto; • Influência sobre a rigidez ou o módulo de elasticidade do concreto. Estrutura Interna do Concreto - microestrutura Na preparação do concreto, com as mistura dos agregados graúdos e miúdos com cimento e água, tem início a reação química do cimento com a água, resultando gel de cimento, que constitui a massa coesiva de cimento hidratado. A hidratação do cimento ocorre com redução de volume (mais ou menos 5%), dando origem a poros, cujo volume é da ordem de 28% do volume total do gel. Durante o amassamento do concreto, o gel envolve os agregados e endurece com o tempo, formando cristais. Ao endurecer, o gel liga os agregados, resultando um material resistente e monolítico – o concreto. Estrutura Interna do Concreto - microestrutura Toda a água que for colocada além do que necessário para hidratar o cimento gerará porosidade na microestrutura do concreto A hidratação do cimento portland simples não requer toda a água de mistura do concreto relação água/cimento teórica de 0,28 Existe um mecanismo de transporte pela pasta de cimento endurecida. Poros fechados Poros interligados Distribuição do tamanho de poros http://ciks.cbt.nist.gov/garbocz/ Fonte: Angulo, Quarconi (2008) Porosidade do Concreto - microestrutura Os poros da pasta de cimento variam de nanômetros a milímetros Influenciam a resistência e permeabilidade do concreto Influenciam a retração por secagem e fluência do concreto Mehta; Monteiro (1994) Fonte: Angulo, Quarconi (2008) Porosidade do Concreto - microestrutura Quanto menor a relação água/cimento da pasta menor a quantidade de poros capilares na pasta de cimento Poros capilares Mehta; Monteiro (1994) Porosidade do Concreto - microestrutura Estrutura Interna do Concreto - microestrutura A estrutura interna do concreto resulta bastante heterogênea: adquire forma de retículos espaciais de gel endurecido, de grãos de agregados graúdo e miúdo de várias formas e dimensões, envoltos por grande quantidade de poros e capilares, portadores de água que não entrou na reação química e, ainda, vapor d’água e ar. Fisicamente, o concreto representa um material capilar pouco poroso, sem continuidade da massa, no qual se acham presentes os três estados da agregação – sólido, líquido e gasoso. Estrutura Interna do Concreto CONCRETO = PASTA + AGREGADOS + (zona de transição) A resistência dos concretos não depende da quantidadede cimento e de agregados existentes Ref: Thomaz, E. C. S., Carneiro, L. A. V., “Concretos de Alta Resistência: Tendências sobre Composições”, Revista IBRACON, 2008 O que é o concreto? O que é o concreto? A resistência dos concretos não depende da quantidade relação entre brita e areia Ref: Thomaz, E. C. S., Carneiro, L. A. V., “Concretos de Alta Resistência: Tendências sobre Composições”, Revista IBRACON, 2008 Estrutura Interna do Concreto Propriedades no estado fresco microestrutura Estado endurecido The first 48 hours are very important for the performance of the concrete structure. It controls the long-term behavior, influence fc, Ec, creep, and durability.”Prof. Paulo Monteiro IMPORTANTE! Propriedades no estado fresco microestr utura Estado endurecid o Há uma intensa relação entre as as etapas IMPORTANTE! Propriedades importante no estado fresco • Trabalhabilidade •Segregação • Retração plástica • Tempo de Pega Fatores que influenciam no Estado Fresco É a mais importante das propriedades do concreto no estado 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 Fatores que influenciam: •Finura do cimento •Relação água/materais secos •Tipo de agregado (principalmente o miúdo) •Aditivos •Adições Trabalhabilidade Fatores que influenciam no Estado Fresco http://www.engetop.ufba.br/MateriaisII/UNIDADE_03_CONCRETOFresco02.pdf Medidas no estado fresco Slump Medidas no estado fresco Slump Medidas no estado fresco Medidas no estado fresco Causas da perda de Slump 1) Uso de um cimento com tempo de pega inadequada 2) Atraso no tempo de mistura, transporte e adensamento 3) Alta temperatura devivo a um elevado calor de hidratação 4) Condições ambientais secas e quentes. 5) Uso de aditivos aceleradores de pega 6) Uso de aditivos dispersantes à base de policarboxilatos Medidas no estado fresco Causas da perda de Slump Medidas no estado fresco Medidas no estado fresco Propriedades importante no estado fresco • Trabalhabilidade •Segregações • Retrações plásticas • Pega Fatores que influenciam no Estado Fresco Causas das exsudações e segregações: • teor de água • quantidade de cimento • O atrito entre os agregados é reduzido pelo aumento da quantidade de pasta na mistura • Agregados maiores tem maior tendência •Relação entre agregado miúdo e graúdo • Alteração no módulo de finura das areias --> mais finas aumentam a facilidade de bombeamento e coesividade • Avaliada de maneira visual Fatores que influenciam no Estado Fresco Tempo de pega: Fatores que influenciam no Estado Fresco http://www.estig. ipbeja.pt/~pdnl/S ub- paginas/MatCons t_apoio_files/ppt /MC%20- %20Betao%20Ar mado_durabilida de.pdf Fatores que influenciam no Estado Fresco Fatores que influenciam no Estado Fresco Retrações plásticas: http://www.cement.org/tech/images/faq_1311.jpg http://www.dundee.ac.uk/civileng/PhDStudentshi ps/images/EffectofNewGenerationsofPlasticShrink age.jpg Fatores que influenciam no Estado Fresco Retrações plásticas: •In slabs, rapid drying of fresh concrete causes plastic shrinkage. • taxa de perda d’água > Taxa de reter água • Acontece quando o concrete ainda não está endurecido (baixa resistência) • Perda de aderência entre o concreto e a armadura •Fissuração superficial • Alta temperatura e ventos e baixa umidade relativa • Taxa de evaporação > 0.2 lb/ft2/hr Como evitar: •Uso de formas e base umedecidas •Construção de barreiras de proteção de vento • Uso de gelo • Barrifar água depois da aplicação do concreto • Uso de membrana para a cura Fatores que influenciam no Estado Fresco retração: Motivation: Early slab cracks Early age pavement cracking is a persistent problem Runway at Willard Airport (7/21/98) Early cracking within 18 hrs and additional cracking at 3-8 days Fatores que influenciam no Estado Fresco Pega: Estado Endurecido Fatores que Influenciam na Resistência - v1 Fatores que Influenciam na Resistência - v1 Fases presentes -Estado Endurecido •Solidos •Vazio ou poros – espaço interlamelar no gel de C-S-H – vazios capilares; – vazios de ar aprisionado / incorporado •Água: –capilar –adsorvida –interlamelar –quimicamente combinada Fases presentes -Estado Endurecido Tipos de Poros: • Espaço interlamelar no C-S-H 0,5 a 2,5 nm • Vazios capilares: 10 – 5000 nm • Ar incorporado: 105 a 106nm • Ar aprisionado Fases presentes -Estado Endurecido Tipos de Poros: • Espaço interlamelar no C-S-H 0,5 a 2,5 nm –25 Angstrons; – 28% do volume C-S-H; – não afeta propriedades mecânicas e permeabilidade; – água retida p/ ponte H; – U. R. muito baixas Responsável pelo fenômeno de retração / fluência • Vazios capilares: 10 – 5000 nm • Ar incorporado: 105 a 106nm • Ar aprisionado Fases presentes -Estado Endurecido Tipos de Poros: • Espaço interlamelar no C-S-H 0,5 a 2,5 nm • Vazios capilares: 10 – 5000 nm – 1 cm3 cimento anidro ~ 2 cm3 cimento hidratado – distância inicial entre partículas do cimento: • relação a/c; • idade (gel); – 10 a 50 nm até 3 a 5 mm (pastas jovens, a/c elevada) • > 50 nm = macroporos ® resistência; • < 50 nm = microporos ® retração e fluência. • Ar incorporado: 105 a 106nm • Ar aprisionado Fases presentes -Estado Endurecido Tipos de Poros: • Espaço interlamelar no C-S-H 0,5 a 2,5 nm • Vazios capilares: 10 – 5000 nm • Ar incorporado: 105 a 106nm -50 a 200 mm ® resistência e permeabilidade. • Ar aprisionado Fases presentes -Estado Endurecido Água quimicamente combinada – integra a estrutura física do gel de C-S-H – varia de 0,20 a 0,25 kg / kg cimento anidro (para 100 % de hidratação) – remoção apenas a 150-300 oC • Água interlamelar – “monomolecular”, fixada ao C-S-H – apenas se movimenta p/ U. R. < 11%; – elevada retração Água adsorvida – sob força de atração; retida por pontes de H; – até 6 camadas moleculares (15 Angstron); – movimentação para U. R. < 30 % ® forte retração. Água capilar – nos vazios > 5 nm; – livre de força atração sólidos; – em grandes capilares > 50 nm água livre – na faixa de 5 a 50 nm: sob efeitos de tensão capilar gera retração Fases presentes -Estado Endurecido Tempo Cura ao ar Cura úmida Exposto ao ar depois de 3 dias Exposto ao ar depois de 7 dias Resistência 28 100% Fatores que Influenciam na Resistência Evolução da resistência em função da cura Fatores que Influenciam na Resistência Fatores que Influenciam na Resistência Fatores que Influenciam na Resistência Fatores que Influenciam na Resistência Resistência x porosidade + Porosidade x permeabilidade Fatores que Influenciam na Resistência Fatores que Influenciam na Resistência Porosidade x resistência – concreto e outros materiais Fatores que Influenciam na Resistência Mecânica Fatores que Influenciam na Resistência Relação tração x Compressão + Propagação de fissuras “Sin embargo, la resistencia en tension es del 7~11% de la resistencia en compresion.” Fonte: http://www.acaceres.addr.com/student_access/pcc.pdf Fatores que Influenciam na Resistência Relação tração x Compressão + Propagaçãode fissuras Fatores que Influenciam na Resistência Para concretos de elevada resistência à compressão, a influência á maior, principalmente porque grãos maiores têm menor área de contrato 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 Características do agregado Fatores que Influenciam na Resistência Formas de medição – Corpo-de- prova Fatores que Influenciam na Resistência Formas de medição – Corpo-de-prova Ruptura normal Ruptura não-normal Resistência a compressão Propriedades do Concreto – Resistência a Compressão 1. Uniaxial Stress versus Strain Behavior in Compression c Ec o u 0.45f’c fc f’c 12” 6” The standard strength test generally uses a cylindrical sample. It is tested after 28 days to test for strength, fc. The concrete will continue to harden with time and for a normal Portland cement will increase with time as follows: Propriedades do Concreto – Resistência a Compressão – Compressive Strength, f’c • Normally use 28-day strength for design strength – Poisson’s Ratio, n • n ~ 0.15 to 0.20 • Usually use n = 0.17 c Ec o u 0.45f’c fc f’c Propriedades do Concreto – Resistência a Compressão Propriedades do Concreto – Resistência a Compressão Propriedades do Concreto – Resistência a Compressão Módulo de Elasticidade Propriedades do Concreto – Módulo de Elasticidade Como medir as pequenas deformações? Propriedades do Concreto – Módulo de Elasticidade Propriedades do Concreto – Módulo de Elasticidade – Modulus of Elasticity, Ec • Corresponds to secant modulus at 0.45 f’c • ACI 318-02 (Sec. 8.5.1): where w = unit weight (pcf) 90 pcf < wc <155 pcf For normal weight concrete (wc 145 pcf) )('33)( 5.1 psifwpsiE cc = )('000,57)( psifpsiE cc = Propriedades do Concreto – Módulo de Elasticidade NBR 6118: 2003 ckc fE 000,56= Propriedades do Concreto – Deformação Cf. SANTOS, S. B.; GAMBALE, E. A.; ANDRADE, M. A. S., em Modelos de predição do módulo de elasticidade do concreto - 48o. Congresso Brasileiro do Concreto IBRACON,2006 Deformação (strain) – Concrete strain at max. compressive stress, o • For typical curves in compression •o varies between 0.0015-0.003 • For normal strength concrete, o ~ 0.002 Ec o u 0.45f’c fc f’c Propriedades do Concreto – Deformação Concrete Properties – Maximum useable strain, u • ACI Code: u = 0.003 • Used for flexural and axial compression Ec o u 0.45f’c fc f’c Curvas tensão (stress)x Deformação (strain) Concrete Properties Typical Concrete Stress-Strain Curves in Compression Resistência à tração na flexão 2. Tensile Strength – Tensile strength ~ 8% to 15% of f’c – Modulus of Rupture, fr • For deflection calculations, use: – Test: 2 6 bh M I Mc f r == )('5.7 psiff cr = ACI Eq. 9-10 P fr Mmax = P/2*a unreinforced concrete beam Propriedades do Concreto – Resistência à tração na flexão 2. Tensile Strength (cont.) – Splitting Tensile Strength, fct – Split Cylinder Test P Concrete Cylinder Poisson’s Effect Propriedades do Concreto – Resistência à tração 2. Tensile Strength (cont.) )(')75( 2 psiftof ld P f cct ct = = (Not given in ACI Code) Propriedades do Concreto – Resistência à tração Durabilidade do Concreto Durabilidade do concreto O concreto é um material poroso e os fenômenos de deterioração físico- química são normalmente associados à ação da água em movimento. •A grandeza desse ataque é controlada pela permeabilidade do concreto (sólido) • No caso da ação química a água é o agente de transporte dos íons agressivos 1) Causas físicas: desgaste superficial (abrasão, lixiviação) deformações e fissuras 2) Causas químicas: formação de CaCO3, penetração de cloretos, reação álcali agreagado, etc Durabilidade do concreto PROPRIEDADES DE TRANSPORTE de líquidos e gases no concreto, que controlam o ingresso de agentes agressivos: • ABSORÇÃO CAPILAR DE ÁGUA; • DIFUSÃO IÔNICA; • PERMEABILIDADE. Em geral, quanto maior a relação água/cimento, mais poroso e suscetíveis aos mecanismos de absorção e difusão estarão os concretos. Durabilidade 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 Corrosão da armaduras Corrosão da armaduras NaCl + - Mecanismos de Corrosão de Armaduras Como evitar? •Espessura de cobrimento (observar a norma) •Baixas relações água/cimento •Aumentar a densidade do concreto (reduzir porosidade) •Não usar produtos contaminados por Cloretos Review • Strength • Durability • Water Tightness – water cement ratio – Permeability • Volume Stability – shrinkage deformation with no load applied – creep deformation under sustained loading 3. Shrinkage and Creep – Shrinkage: Due to water loss to atmosphere (volume loss). • Plastic shrinkage occurs while concrete is still “wet” (hot day, flat work, etc.) • Drying shrinkage occurs after concrete has set • Most shrinkage occurs in first few months (~80% within one year). • Cycles of shrinking and swelling may occur as environment changes. • Reinforcement restrains the development of shrinkage. Propriedades do Concreto - Retração Fig. 3-21, MacGregor (1997) Shrinkage of an Unloaded Specimen * 80% of shrinkage occurs in first year Propriedades do Concreto - Retração • Shrinkage is a function of –W/C ratio (high water content reduces amount of aggregate which restrains shrinkage) –Aggregate type & content (modulus of Elasticity) –Volume/Surface Ratio Propriedades do Concreto - Retração – Shrinkage is a function of • Type of cement (finely ground…) • Admixtures • Relative humidity (largest for relative humidity of 40% or less). • Typical magnitude of strain: (200 to 600) * 10-6 or (200 to 600 microstrain) Propriedades do Concreto - Retração – Creep (fluência) • Deformations (strains) under sustained loads. • Like shrinkage, creep is not completely reversible. P P L dL, elastic dL, creep =dL/L Propriedades do Concreto - Retração Concrete Properties • Magnitude of creep strain is a function of all the above that affect shrinkage, plus –magnitude of stress –age at loading • Creep strain develops over time… - Absorbed water layers tend to become thinner - between gel particles that are transmitting - compressive stresses - Bonds form between gel particles in their - deformed position. Load Induced Volume Changes • Instantaneous, 1D = E Secant modulus Tangent modulus c . concrete 'fE 5133= ftcubic/lbs,concreteofweightunit= psi,strengthecompressiv'f c = Load Induced Volume Changes • Time dependant Creep deformation Deformation Time Creep in Concrete Creep in Concrete water Creep Consequencesof creep • Loss in pre-stress • possibility of excessive deflection • stressing of non load bearing members Fissuras Concrete Mixing and Proportioning Failure Mechanism of Concrete Shrinkage Microcracks are the initial shrinkage cracks due to carbonation shrinkage, hydration shrinkage, and drying shrinkage. Concrete Mixing and Proportioning Failure Mechanism of Concrete Bond Microcracks are extensions of shrinkage microcracks, as the compression stress field increases, the shrinkage microcracks widen but do not propagates into the matrix. Occur at 15- 20 % ultimate strength of concrete. Concrete Mixing and Proportioning Failure Mechanism of Concrete Matrix Microcracks - are microcracks that occur in the matrix. The propagate from 20% fc. Occur up to 30-45 % ultimate strength of concrete. Matrix microcracks start bridge one another at 75%. Aggregate microcracks occur just before failure (90%).
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