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1 Formulação (dosagem) do Concreto Prof. Bruno L Damineli Objetivo Apresentar os conceitos fundamentais utilizados nos procedimentos de formulação (dosagem) de concretos INTRODUÇÃO O que é dosagem? • Uso de procedimentos teóricos e/ou experimentais para definir uma proporção dos materiais (cimento, areia, brita, água, aditivos) POR QUE ESTUDAR DOSAGEM? Para quê serve a dosagem? • Atender requisitos desempenho – Estrutural • fck (28 dias) • Eventualmente, módulo elasticidade – Durabilidade • Permeabilidade – Aplicação • Comportamento reológico – Ecoeficiência • Custo e impacto ambiental 2 O problema • Projeto estrutura estabelece: – fck (28 dias) – Eventualmente, módulo elasticidade – Densidade armadura – Geometria elementos Quais condições são necessárias para produzir concreto convencional? Desempenho na aplicação Reologia Dimensão máxima característica de agregados Tempo para lançamento Temperatura na hidratação (tensões térmicas) Acabamento .... Em serviço Resistência de dosagem Durabilidade Módulo de elasticidade Tenacidade Fluência? REOLOGIA + ESTADO ENDURECIDO! Dosagem: Conceito fundamental Através do proporcionamento dos materiais, garantir continuidade, resistência e durabilidade concreto 3 Como garantir a continuidade do concreto? Como se faz 1m³ de concreto? Soma vol ocupados pelos materiais – Água – Cimento – Areia – Agregados graúdos – (ar incorporado) – (aditivos) http://home.uchicago.edu/~xcheng/Gra nular%20Materials.htm Vazios entre particulas Concreto ‐material multifásico agregado matriz água partícula pequena (inerte + cimento) Suspensão de partículas sólidas em água Modelo conceitual de Concretos Continuidade fases • Pasta • Argamassa O QUE ACONTECE SE VOLUME ARGAMASSA FOR MAIOR QUE VOLUME VAZIOS DO AGREGGRAÚDO 4 O QUE ACONTECE SE VOLUME ARGAMASSA FOR MENOR QUE VOLUME VAZIOS DO AGREGGRAÚDO REOLOGIA (TEOR ARGAMASSA, TEOR PASTA, TEOR ÁGUA) 1º problema a resolver: Condição geral: continuidade espacial Vágua + Var > Vol. entre grãos cimento e fíleres (dificilmente é um problema) Vpasta> Volume entre grãos de areia Vpasta = Vcimento +Vágua + Var Vargamassa>> Volume entre grão de ag. graúdo Vargamassa = Vpasta + Vareia Estimando o volume de vazios dos particulados 5 Energia compactação e empacotamento Simulação com sagu (tapioca pearls) http://home.uchicago.edu/~xcheng/Granular%20Materials.htm Estimando o volume de vazios • Massa unitária (g/dm³) – M = Massa total (g) material seco – Vt = vol total (dm³) recipiente Vt= (Vs+Vp+Vv) – Vs – volume sólidos grãos – Vp – volume poros dentro grãos – Vv – volume vazios entre grãos f(compactação) Mu ൌ ெ௧ ൌ ெ ௦ାା௩ Estimando o volume de vazios • Massa específica aparente (g/dm³) – M = Massa total (g) material seco – Vt = vol total (dm³) recipiente Vt= (Vs+Vp+Vv) – Vs – volume sólidos grãos – Vp – volume poros dentro grãos – Vv – volume vazios entre grãos f(compactação) Me ൌ ெ௧ି௩ ൌ ெ ௦ା Estimando o volume de vazios • Massa específica real (g/dm³) – M = Massa total (g) material seco – Vt = vol total (dm³) recipiente Vt= (Vs+Vp+Vv) – Vs – volume sólidos grãos – Vp – volume poros dentro grãos – Vv – volume vazios entre grãos f(compactação) Me ൌ ெ௧ି௩ି ൌ ெ ௦ Estimando o volume de vazios • Como medir o volume ocupado pelos sólidos? • E se o material for poroso? Estimando o volume de vazios Vazios (%) ൌ ௩௧ ൌ 1 െ ெ௨ ெ Porosidade (%) ൌ ௦ା ൌ 1 െ ெ ெ 6 Exercício • Calcular volume pasta (cimento + água) necessário para produzir 1m³ argamassa usando areia com as seguintes propriedades – Caixa = 5 litros – M areia = 7.85kg – Me = 2.58 g/dm³ – Mr = 2.65 g/dm³ Voltando... Vágua + Var > Vol. entre grãos cimento e fíleres (dificilmente é um problema) Vpasta> Volume entre grãos de areia Vpasta = Vcimento +Vágua + Var Vargamassa>> Volume entre grão de ag. Graúdo Vargamassa = Vpasta + Vareia DOSAGEM Considerações sobre Ideal Controle resistência = porosidade pasta 0 40 80 120 160 200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Re si st . C om pr es sã o (M Pa ) Porosidade 7 http://www.cementlab.com/cement‐art.htm Fração ligante é a única responsável pela resistência? Relação água/cimento “porosidade da fração ligante presente no concreto” Critérios de dosagem • fck • Reologia • Resist desforma • Tempo lançamento • Pegada CO2 • Módulo elasticidade • Vida útil • Calor hidratação • Retração • Custo DURABILIDADE Lidar com... Etapas em comum (todos os métodos) • Requisitos simplificados durabilidade (NBR 6118: 2003), de acordo com relação a/c máx e consumo mín cimento PARÂMETROS DE MOLDAGEM Lidar com... 8 Critérios do AmericanConcrete Institute (ACI) D max ≤ 1/5 da menor dimensão entre as faces da forma; D max ≤ 1/3 da espessura das lajes; D max ≤ 3/4 do espaço livre entre armaduras Efeito Parede Dependendo do Dmax, pode não se conformar adequadamente em contato com uma superfície Parâmetros de controle • Escassos e geralmente baseados no ensaio de abatimento do tronco de cone tede.ucs.br Abatimento recomendados (ACI 211.1) Tipo de construção Slump Máximo Mínimo Fundações, paredes e sapatas armadas 75 25 Sapatas não armadas, caixões e paredes de vedação 75 25 Vigas e paredes armadas 100 25 Pilares de edifícios 100 25 Pavimentos e lajes 75 25 Concreto em grandes volumes 50 25 MÉTODOS DE DOSAGEM Métodos dosagem concretos Dosagem não experimental • Estimado pela experiência • Foco: simplicidade • Obras pequeno porte – fck < 20MPa – Cimento > 300kg/m³ • Conservador – Proporção agregado miúdo: 30 e 50% do total de agregado – Quantidade mínima água compatível com trabalhabilidade necessária Dosagem experimental • Obtidos a partir de estudo laboratorial • Foco em economia e meio ambiente • Permite obter traços para qualquer resistência na faixa de estudo • Otimizado 9 Dosagem não experimental • Definição traço estimado a partir de tabelas ou estimativas • Elemento auxiliar para definição de traço piloto • Variados procedimentos (incluindo livro de tabelas prontas) Dosagem não experimental (Método ABCP – ACI) • Fixar a/c a partir da resistência à compressão do cimento • Estimar consumo de água a partir da dimensão máxima da brita e abatimento esperado • Estimar consumo de brita e areia com base em características simplificadas dos agregados Definição da relação a/c (não experimental) Estimativa consumo de água (não experimental) Sem aditivos dispersantes – Betoneira de eixo inclinado Estimativa do volume seco compactado e consumo de brita Dimensão Máxima da britaMódulo de finura da areia gr os sa fin a Consumo brita =Vb x 1.500 kg/m³ (massa unitária da brita) 10 Estimativa volume e consumo areia (não experimental) • Obtido por diferença • C areia (kg)=V areia (m³) x M esp areia (2.600 kg/m³) água água brita brita cimento cimento areia CCCmV 1)( 3 Dosagem não experimental • Condições para dosagem não experimental: – Consumo mín cimento ~ 300 kg/m3 – Proporção agreg miúdo ~ 30 a 50% do total de agregado – Quantidade mínima compatível com a trabalhabilidade necessária Dosagem experimental • Vários métodos disponíveis • Baseado na manipulação experimental do material Dosagem Experimental Concretos Plásticos • Determina teor de argamassa (continuidade) • Estima curva de Abrams com 3 traços com relação a/c diferentes Dosagem experimental de concretos Procedimentos experimentais • Adoção TRAÇO PILOTO(estimado pelo valor de fcj a ser atendido) • Determinação teor argamassa • Desdobramento do traço piloto • Moldagem de CP com três diferentes traços e consumos de cimento (mantendo mesmo abatimento e teor de argamassa – ajusta‐se a água) • Determina‐se fcj, abatimento e massa específica (cálculo de consumo de cimento nos três traços) e define‐se o diagrama de dosagem 11 Comparação entre métodos de dosagens Boggio (2000) ‐ UFRGS CONCEITOS DE DOSAGEM Método Ary Torres (mais conhecido): o Lei de Abrams o Lei de Lyse o Conceito de Petrucci o Lei de Molinari Conceitos Principais 1918: “Lei” de Duff A. Abrams • “Dentro do campo dos concretos plásticos, a resistência aos esforços mecânicos, bem como as demais propriedades do concreto endurecido variam na relação inversa da relação água/cimento” • Somente quando excesso de água for o responsável pela porosidade cacj k kf / 2 1 fcj = resistência à compressão a j dias de idade k1 e k2 = constantes que dependem da natureza materiais, idade e condições cura a/c = relação água/cimento 20 25 30 35 40 45 50 55 0,35 0,45 0,55 0,65 Relação água/cimento (kg/kg) R es is tê nc ia à co m pr es sã o (M Pa ) Experimental result Regression cacj k kf / 2 1 Determinação experimental Lei Abrahms: vale para este concreto? Por quê? 12 1931: Inge Lyse • Para materiais de mesma natureza, formato, textura e dimensão máxima característica, a massa de água por unidade de volume de concreto é o principal determinante da consistência do concreto fresco • m = k3 + k4 . a/c cimento cimento brita areiaareia brita água água Água Mobilidade reduzida Água Mobilidade facilitada 1931: Inge Lyse • Com base na Lei de Lyse, qual seria o efeito que a redução ou aumento da relação a/c causaria no abatimento do concreto? Justifique. – Ex: Traço (1: 2: 3: 0,57) / slump=75 mm Exercício • E se... • Mudarmos materiais? Características? Formato? Dimensões? Textura? Área? • Lei de Lyse ainda vale? • Pergunta de outro jeito: dá pra ter maior fluidez com menos água/m3? Exercício Traço de Concreto • Relação, em massa ou volume, entre cimento, agregados e água • Traço (proporção) – cimento: areia: brita: água • Traço unitário (para 1 unidade de massa de cimento) – – 1: a: p: a/c – m=a+p (agregados) – Ex: 1:2:3:0,7 cimeno água cimento brita cimento areia cimento cimento ::: Traço de concretos • Muito usado para cálculo de consumo de materiais para 1 m3 de concreto – Massa específica do concreto (δ) ~ 2.300 kg/m3 – Consumo cimento (kg/m3) = δ / (1+m+x) – Consumo dos agregados em massa (kg/m3) – Consumo dos agregados em volume aparente (dm3/m3) • Conversão com valores de massa unitária dos agregados 13 Porém, esse tipo de formulação não informa o volume e distribuição das fases do concreto 1951: Petrucci • Enfatiza composição que leva à máima “trabalhabilidade” (abatimento) (teor de argamassa seca) abatimento TEOR DE ARGAMASSA Passo 1 Como definir o teor mínimo de argamassa? Experimental: tentativae erro! Teor de Argamassa seca em massa ~ 50% (areia + cimento)/(areia+cimento + brita) a Traço Quantidades (kg) Acréscimo (kg) Slump H a/cc a p c a p água c a p água 40% 0.40 1 1 3 10.00 10.00 30.00 4.70 ‐ ‐ ‐ ‐ 0 9.40 0.47 42% 0.42 1 1.1 2.9 10.34 11.38 30.00 4.98 0.34 1.38 0.00 0.28 20 9.60 0.48 44% 0.44 1 1.2 2.8 10.71 12.86 30.00 5.48 0.37 1.48 0.00 0.50 40 10.20 0.51 46% 0.46 1 1.3 2.7 11.11 14.44 30.00 5.69 0.40 1.59 0.00 0.21 65 10.20 0.51 48% 0.48 1 1.4 2.6 11.54 16.15 30.00 5.90 0.43 1.71 0.00 0.21 95 10.20 0.51 50% 0.50 1 1.5 2.5 12.00 18.00 30.00 6.09 0.46 1.85 0.00 0.19 90 10.20 0.51 52% 0.52 1 1.6 2.4 12.50 20.00 30.00 6.45 0.50 2.00 0.00 0.36 90 10.40 0.53 54% 0.54 1 1.7 2.3 13.04 22.17 30.00 6.86 0.54 2.17 0.00 0.41 90 10.60 0.55 55% 0.55 1 1.75 2.25 13.33 23.33 30.00 7.31 0.29 1.16 0.00 0.45 95 11.00 0.56 Como definir o teor argamassa (α)? Como definir o teor argamassa (α)? • Ideal: ponto com: – MENOR α – MENOR a/c para slump requerido 0 20 40 60 80 100 120 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 S lu m p Teor argamassa 0.51 0.51 0.51 0.51 0.53 0.55 14 Procedimento experimental Teor de Argamassa Seca (α) insuficiente α = (1+a)/(1+m) Procedimento experimental Teor de Argamassa Seca (α) ideal α = (1+a)/(1+m) 5 TRAÇOS DE CONCRETO Passo 2 Traço para 1 m³ de Concreto • C (consumo de cimento) = C x 1 • Ca (consumo de areia) = C x a • Cp (consumo de pedra) = C x p • Cágua (consumo de água) =C x a/c CáguaCpCaC ::: 5 traços de concreto Traço (cimento/agregados) 1:4 1:3 1:5 1:3 1:5 Traço (c/a/p) c a p c a p c a p c a p c a p 1 1.5 2.5 1 1 2 1 2 3 1 1 2 1 2 3 Teor de argamassa 50% 50% 50% 50% 50% Slump (mm) 90 90 85 240 20 Fator a/c 0.47 0.38 0.55 0.47 0.47 • 1:3, 1:4, 1:5 – 1) Ajustar a/c para obter mesmo slump (90mm) – 2) Manter a/c (0,47) e verificar slump Para cada um: • 1) Determinar traço em volume Volume c ൌ ஓ Volume a ൌ ஓೌ Volume b ൌ ஓ್ Volume w ൌ ௪ஓೢ Cim Areia Brita Água Total Traço massa (kg) 1.00 1.25 2.25 0.45 4.95 Densid (kg/dm3) 2.98 2.62 2.68 1 Traço vol (dm3) 0.336 0.477 0.840 0.45 2.102 15 Para cada um: • 2) Determinar Consumo cada material para 1m3 ܥ ൌ ௩ ௧௧ ሺ௧çሻ x 1000 Cimento Areia Brita Água Total Traço massa (kg) 1.00 1.25 2.25 0.45 4.95 Densidade (kg/dm3) 2.98 2.62 2.68 1 Traço volume (dm3) 0.336 0.477 0.840 0.45 2.102 C (kg/m3) 475.69 594.61 1070.30 214.06 2354.65 Para cada um: • 3) Determinar Massa Específica – 1) cálculo pelo traço – 2) medição no estado fresco γ௧ ൌ ାାା௪ ಋ⁄ ାೌ ಋೌ⁄ ା ಋൗ ାೢ ಋೢ⁄ ା x 1000 Cimento Areia Brita Água Total Traço massa (kg) 1.00 1.25 2.25 0.45 4.95 Densidade (kg/dm3) 2.98 2.62 2.68 1 Traço volume (dm3) 0.336 0.477 0.840 0.45 2.102 C (kg/m3) 475.69 594.61 1070.30 214.06 2354.65 O CONCRETO INCORPORA AR? COMO DETERMINAR? Mas Para cada um: • 4) Determinar teor ar – 1) medir em ensaio específico – 2) relação massa específica calculada / medida estado fresco – Ex: mediu 2331,34 Cimento Areia Brita Água Total Traço massa (kg) 1.00 1.25 2.25 0.45 4.95 Densidade (kg/dm3) 2.98 2.62 2.68 1 Traço volume (dm3) 0.336 0.477 0.840 0.45 2.102 C (kg/m3) 475.69 594.61 1070.30 214.06 2354.65 Ar ൌ 1െ ஓೌஓೌೠೌೌ x 100 Para cada um: • 5) Refazer contas C materiais com novo teor ar – 1) massa mantém, volume traço aumenta Cimento Areia Brita Água Total Ar Total Traço massa (kg) 1.00 1.25 2.25 0.45 4.95 Densid (kg/dm3) 2.98 2.62 2.68 1 Traço vol (dm3) 0.336 0.477 0.840 0.45 2.102 0.021 2.123 C (kg/m3) 470.98 588.72 1059.70 211.94 2354.65 2331.34 ܥ ൌ ௩ ௧௧ ሺ௧çሻ x 1000 Consumo Cimento a partir da massa especifica concreto fresco Para fazer 1m³ de concreto fresco são necessários C vezes traços unitários (1:a:p:a/c) Quantas vezeso traçounit (emmassa) cabena massa medida para 1m3? Ex: 1:1,5:2,5:0,5 – traçounitário= 5,5 kg Massa de 1m3 medida = 2321 kg/m3 5,5 kg cabem 423,88 vezesem 2331,34 C*(1+a+p+a/c) = γ௧ C quantidade de traços; ܥ ൌ γ௧1 ܽ ܽ/ܿ 16 Como calcular quantidade materiais? • Tem o traço em massa... • Tem o traço em volume... (calculou pela dens) • Calculou C material/m3... • Sabe volume total concreto necessário... • Estima perda materiais... (ex: 5%) 5 traços de concreto Traço (cimento/agregados) 1:4 1:3 1:5 1:3 1:5 Traço (c/a/p) c a p c a p c a p c a p c a p 1 1.5 2.5 1 1 2 1 2 3 1 1 2 1 2 3 Teor de argamassa 50% 50% 50% 50% 50% Slump (mm) 90 90 85 240 20 Fator a/c 0.47 0.38 0.55 0.47 0.47 • 1:3, 1:4, 1:5 5 traços de concreto Traço (cimento/agregados) 1:4 1:3 1:5 1:3 1:5Traço (c/a/p) c a p c a p c a p c a p c a p 1 1.5 2.5 1 1 2 1 2 3 1 1 2 1 2 3 Teor de argamassa 50% 50% 50% 50% 50% Slump (mm) 90 90 85 240 20 a/c 0.47 0.38 0.55 0.47 0.47 H 9.40 9.50 9.17 11.75 7.83 Massa específica concreto 2344.95 2357.18 2341.73 2293.42 2381.93 endurecido (g) (Kg/m3) Massa específica concreto 2353.00 2374.00 2321.00 2329.00 2348.00 fresco (g) (Kg/m3) Consumo cimento (Kg/m3) 428.69 538.17 357.52 513.07 368.15 Consumo água (l/m3) 201.49 204.50 196.63 241.14 173.03 Consumo areia (Kg/m3) 643.04 538.17 715.03 513.07 736.30 Consumo pedra (Kg/m3) 1071.73 1076.34 1072.55 1026.14 1104.45 fc 28 (Mpa) 36.40 42.90 24.80 38.00 34.50 Eci 28 (Gpa) 28.60 30.60 25.10 25.60 33.00 Ar incorporado (%) 1.7 1.8 1.9 1.2 2.4 Volume de pasta (%) 34.69 38.65 31.82 41.51 29.79 20 25 30 35 40 45 50 55 0,35 0,45 0,55 0,65 Relação água/cimento do concreto (kg/kg) R es is tê nc ia à co m pr es sã o do c on cr et o (M Pa ) Experimental result Regression cacj k kf / 2 1 Determinação experimental (regressão por mínimos quadrados) fcj a/c m (kg) Lei de Abrams Lei de Lyse 28 dias 7 dias Slump 140 mm Slump 90 mm C (kg/m3) k1 fc = ‐‐‐‐‐‐‐‐‐ k2 a/c m = k3.a/c + k4 1000 C = ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ (k5 + k6.m) Lei de Molinari Diagrama de Dosagem Experimental Resistencia de dosagem? fck fcj2 fcj2fck fcj = fck + 1,65.sd 17 Desvio padrão do processo (s) Agregados s (MPa) Quantidademedida Umidade Massa Medida 4,0 Volume aparente Medida 5,5 Volume aparente Estimada 7,0 Mistura manual http://www.fazfacil.com.br/materiais/concreto_tracos.html http://www.qualidadedoconcreto.com.br/Downloads/Metodo_Dosa_Facil.pdf Misturador rotativo Cement and Concrete Research Volume 39, Issue 3 2009 182 – 194 http://dx.doi.org/10.1016/j.cemconres.2008.12.005 18 Misturador planetário c/Controle contínuo de umidade Conclusão • Método produção influencia determinação do traço e custo • Experimentação e caracterização mais detalhada das MP permite dosagem mais otimizada (custo, durabilidade e impacto ambiental) REOLOGIA + ESTADO ENDURECIDO!... + AMBIENTAL! Dosagem: Impacto Ambiental • Intensidade – de ligante (kg.m‐3.MPa‐1) – CO2 (kg CO2.m‐3.MPa‐1) – ... • Pegada CO2 (kgCO2.m‐3) • Vida útil 19 Benchmark mundial (29 países) 0 5 10 15 20 25 0 20 40 60 80 100 120 140 In te ns id ad e d e l ig an te (k g. m ‐3. M Pa ‐1) Resistencia à compressão (MPa) Brazilian International Market 250kg/m³ DAMINELI, B. L. KEMEID, F. M. AGUIAR, P. S.; JOHN, VANDERLEY M. Measuringthe eco‐efficiency of cement use. Cement and Concrete Composites, v. 32, n. 8, p. 555‐562, 2010. 0 5 10 15 20 25 0 20 40 60 80 100 120 140 In te ns id ad e d e l ig an te (k g. m ‐3. M Pa ‐1) Resistencia à compressão (MPa) Brazilian International Market 250kg/m³ Benchmark mundial (29 países) DAMINELI, B. L. KEMEID, F. M. AGUIAR, P. S.; JOHN, VANDERLEY M. Measuringthe eco‐efficiency of cement use. Cement and Concrete Composites, v. 32, n. 8, p. 555‐562, 2010. Obra O que é possível no curto prazo 0 5 10 15 20 25 0 20 40 60 80 100 120 140 In te ns id ad e d e l ig an te (k g. m ‐3. M Pa ‐1) Resistencia à compressão (MPa) Brazilian International Market Lab Microestrutura 250kg/m³ DAMINELI, B. L. KEMEID, F. M. AGUIAR, P. S.; JOHN, VANDERLEY M. Measuringthe eco‐efficiency of cement use. Cement and Concrete Composites, v. 32, n. 8, p. 555‐562, 2010. Obra 0 3 6 9 12 15 0.1 1 10 100 1000 10000 % D is cr et a Diâmetro (µm) 0 3 6 9 12 15 0.1 10 1000 % D is cr et a Diâmetro (µm) Controle porosidade O que é possível no longo prazo 0 5 10 15 20 25 0 20 40 60 80 100 120 140 In te ns id ad e d e l ig an te (k g. m ‐3. M Pa ‐1) Resistencia à compressão (MPa) Brazilian International Market Lab Microestrutura 250kg/m³ Bruno Luis DAMINELI Doutorado em Andamento na Poli USP. (amarelo) Obra CONTROLAR ESTADO FRESCO SEM DEPENDER EXCLUSIVAMENTE DA ÁGUA? Como...
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