USO DE PULSO ULTRASSÔNICO PARA AVALIAÇÃO DE CONCRETOS CONTENDO DIFERENTES TIPOS DE METACAULIM DE ALTA REATIVIDADE

Transcrição

1 CONAEND&IEV USO DE PULSO ULTRASSÔNICO PARA AVALIAÇÃO DE CONCRETOS CONTENDO DIFERENTES TIPOS DE METACAULIM DE ALTA REATIVIDADE Rodrigo Teodoro 1, Oswaldo Cascudo 2, Helena Carasek 3 Copyright 2018, ABENDI, PROMAI. Trabalho apresentado durante o XXXVI Congresso Nacional de Ensaios Não Destrutivos e Inspeção. 21ª IEV Conferencia Internacional sobre Evaluación de Integridad y Extensión de Vida de Equipos Industriales. As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade do(s) autor(es). SINOPSE É cada vez mais frequente e comum o uso de ensaios não destrutivos para avaliação e caracterização de concreto de cimento Portland. Uma técnica bastante consolidada no setor é o emprego de aparelho de ultrassom, em que é possível medir a velocidade do pulso ultrassônico em concreto. As diferentes leituras podem dar um resultado relacionado à homogeneidade do concreto. Dessa forma, ensaios de medição de velocidade do pulso ultrassônico foram realizados em oito tipos de concretos diferentes, sendo duas relações água/aglomerante e três tipos de metacaulim de alta reatividade (além de um concreto de referência, sem adição) a fim de avaliar se o ensaio é capaz de verificar as diferenças entre esses concretos. Adicionalmente foram realizados ensaios de resistência à compressão e módulo de elasticidade em corpos-de-prova a fim de estabelecer um parâmetro de caracterização dos concretos. Após a análise estatística por análise de variância, os resultados mostraram que o ensaio com ultrassom é capaz de evidenciar diferenças entre os concretos com diferentes relações água/aglomerante. Porém os resultados com três tipos de metacaulim foram diferentes do esperado, sobretudo se avaliados juntamente com a resistência a compressão e módulo de elasticidade, nota-se que não houve correlação entre as propriedades. 1 Mestre, Engenheiro Civil LABITECC, Escola de Engenharia Civil e Ambiental, UFG 2 Doutor, Professor Titular LABITECC, Escola de Engenharia Civil e Ambiental, UFG 3 Doutora, Professora Titular LABITECC, Escola de Engenharia Civil e Ambiental, UFG

2 1. INTRODUÇÃO Nos últimos tempos, como consequência de lamentáveis desabamentos de edificações no país, a demanda por avaliações e inspeções de estruturas de concreto armado aumentou em razão da preocupação e necessidade de se verificar a real situação das edificações. Assim é cada vez maior a necessidade de ensaios que avaliem as condições da estrutura de forma confiável e precisa, com o menor dano possível. Atualmente, já se encontram disponíveis no mercado inúmeras técnicas não destrutivas diferentes para avaliação das estruturas de concreto armado, tais como: esclerometria, ultrassom, resistivímetro, georadar, dentre outros. Cada um avalia uma propriedade específica do concreto. Uma técnica que tem ganhado notoriedade nos últimos anos é o ultrassom, pela facilidade de execução do ensaio e pelo fato de não causar qualquer tipo de dano à estrutura existente. Além disso, muitos pesquisadores têm tido boas correlações com outras propriedades do concreto no estado endurecido. O ensaio de ultrassom, que consiste na transmissão de um pulso ultrassônico por meio de um transdutor, que é então recebido por outro transdutor que está a uma conhecida distância do primeiro. O aparelho mede, pois, o tempo que a onda leva para sair de um transdutor até chegar ao outro. O resultado do ensaio é a velocidade de propagação do pulso ultrassônico, medida em m/s (1). Há pelo menos três décadas que se conhece o emprego de alguma técnica de ultrassom no concreto. Hoje, o consenso é de que se trata de um ensaio que avalia a qualidade do concreto, em outras palavras, avalia a sua uniformidade. Em geral, a onda ultrassônica se propaga mais rapidamente em meios densos do que no ar. Assim, assume-se que concreto com maiores velocidades de propagação da onda ultrassônica apresentam uma maior compacidade, o que em tese significa dizer que apresenta menos vazios e portanto uma maior qualidade (1). Dessa forma, a norma britânica BS EN Testing concrete. Determination of ultrasonic pulse velocity apresenta uma correlação interessante, que associa os valores de velocidade do pulso ultrassônico com a qualidade do concreto, como se observa na tabela 1 (2). Além disso, o ultrassom também pode ser utilizado para avaliar aspectos da compacidade, bem como a presença de fissuras e falhas no concreto. Tabela 1 Critérios de avaliação do concreto com base na velocidade de onda ultrassônica proposta pela norma BS EN de 2000 (3). Velocidade da onda ultrassônica (m/s) Qualidade do concreto > 4500 Excelente 3500 a 4500 Bom 3000 a 3500 Regular 2000 a 3000 Ruim < 2000 Péssimo

3 Muitos autores já conseguiram correlações exponenciais muito fortes com a resistência à compressão de concretos sem adições minerais, como indicam Hamid, Yosof e Zain (4). No entanto, os mesmos autores encontraram resultados de baixa correlação quando utilizada cinza volante como adição mineral ao concreto. Além disso, o ultrassom é muito utilizado, inclusive com prescrições de normas da ASTM, como a C597, para que seja correlacionado com o módulo de elasticidade do concreto (5). Tendo em vista se tratar de uma técnica expedita para avaliação da qualidade e uniformidade do concreto, o objetivo deste trabalho é avaliar a correlação da velocidade de pulso ultrassônico com a resistência à compressão e módulo de elasticidade em concretos contendo adições minerais. 2. MATERIAIS E MÉTODOS Esta pesquisa faz parte de um estudo ainda mais abrangente em que foi estudada a influência de diferentes metacaulins de alta reatividade na estrutura interna do concreto de cimento Porltand (6). Para tanto, foram dosados concretos contendo duas relações água/aglomerante diferentes 0,40 e 0,60 bem como três tipos de metacaulins de alta reatividade produzidos no Brasil aqui abreviados de U, X e M além de um concreto sem adições minerais, para cada relação a/ag, totalizando, portanto, em oito concretos diferentes. As características físicas e a composição química do cimento Portland tipo CP II-F-40 e dos metacaulins utilizados são apresentadas na tabela 2. Tabela 2 Características físicas e composição química dos materiais cimentícios. Propriedades CP II-F-40 Metacaulim U Metacaulim X Metacaulim M Massa específica (kg/m³) Área Específica (Blaine) (m²/kg) Área Específica (BET) (m²/kg) SiO2 (%) 17,75 56,46 52,58 51,43 Al2O3 (%) 4,28 32,17 44,61 42,53 Fe2O3 (%) 2,79 2,23 0,35 2,00 CaO (%) 61,10 0,17 0,06 0,16 MgO (%) 4,18 0,70 0,02 0,28 K2O (%) 1,16 2,16 0,09 0,95 Na2O (%) 0,15 0,04 0,04 0,02 SO3 (%) 3, Outros (%) 0,98 1,65 0,11 1,14 Perda ao Fogo (%) 3,52 4,27 1,95 1,28

4 Além disso, foram utilizados dois tipos de agregados miúdos naturais de rio 40% de areia fina e 60% de areia grossa bem como dois tipos de agregados graúdos 20% de brita 0 e 80% de brita 1. As características físicas dos agregados estão contidas na tabela 3. Tabela 3 Características físicas dos agregados. Propriedades Areia Fina Areia Grossa Brita 0 Brita 1 Massa específica (kg/m³) 2,63 2,65 2,67 2,91 Dimensão Máxima Característica (mm) 2,36 4,75 12,5 25,0 Módulo de Finura 2,09 3,54 5,71 6,80 A composição dos concretos utilizados na pesquisa foi determinada pelo método IPT/EPUSP (7,8). A consistência do concreto foi fixada em (120 ± 20) mm para todos os concretos, bem como o teor de metacaulim, que foi de 10% em relação à massa de cimento. Além disso, foi fixado o volume de água por metro cúbico de concreto em 180 L/m³, dessa forma utilizou-se um aditivo superplastificante a base de policarboxilatos para ajuste da consistência. Os concretos foram dosados em laboratório e então foram moldados corpos-de-prova cilíndricos de 100 mm de diâmetro e 200 mm de altura, de acordo com as prescrições da NBR 5738 (9). Os CP s foram então submetidos a cura imersos em água saturada de cal hidratada à temperatura de (23 ± 2) C até os 28 dias de idade, sendo armazenados sob condições de umidade e temperatura ambientes depois de então. No estado fresco, foram realizados ensaios de consistência por meio do abatimento do tronco de cone (10) bem como determinação da massa específica e teor de ar do concreto fresco (11). No estado endurecido, na idade de 91 dias, foram realizados ensaios de resistência à compressão axial em dois corpos de prova, sendo apresentado o maior valor do par, segundo critérios da NBR 5739 (12). Foram realizados ensaios de módulo de elasticidade à compressão, aos 91 dias de idade, com três corpos de prova, sendo representados pela média dos resultados, segundo a NBR 8522 (13) Além disso, foi realizado ensaio de ultrassom, como descrito no item 1, de acordo com a NBR 8802 (14), nos corpos-de-prova, por transmissão direta, também aos 91 dias de idade, tendo ao final 15 leituras de cada concreto. Como se observa na Figura 1, foi utilizado o equipamento da marca Proceq, modelo Pundit Lab+, com transdutores de 54 Hz e amplitude de pulso igual a 500 V.

5 Figura 1 Ensaio de velocidade do pulso ultrassônico em corpo de prova de concreto. Os resultados foram submetidos à análise de variância (ANOVA) a fim de se verificar estatisticamente o efeito de cada variável sobre as propriedades avaliadas. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados de ensaios do concreto no estado fresco abatimento, massa específica e teor de ar estão dispostos na Tabela 4. É possível perceber um significativo aumento no teor de ar dos concretos com relação água/aglomerante igual a 0,60, em comparação com os concretos com relação a/ag igual a 0,40, o que é esperado. Na mesma tabela são apresentados os resultados de resistência à compressão e módulo de elasticidade à compressão, ambos aos 91 dias de idade. Tabela 4 Resultados de abatimento do tronco de cone, massa específica e teor de ar no estado fresco e resistência à compressão aos 91 dias. Resistência à Módulo de Massa Relação Abatimento Teor de compressão Elasticidade Metacaulim Específica a/ag (mm) Ar (%) 91 dias 91 dias (kg/m³) (MPa) (GPa) Ref ,48 0,6 61,6 42,91 0,40 U 130 2,47 0,4 78,6 41,88 X 140 2,49 0,2 68,3 44,33 M 140 2,46 1,0 72,1 40,94 Ref ,40 2,9 39,8 38,78 0,60 U 115 2,39 3,1 44,7 34,65 X 140 2,38 3,2 44,9 37,54 M 120 2,39 3,0 48,0 36,31

6 Quanto aos resultados no estado endurecido, a influência da relação a/ag foi significativa tanto para a resistência à compressão quanto para o módulo de elasticidade, segundo a análise de variância. Esse comportamento é esperado e já consagrado na literatura desde os estudos de Abrams (15) sobre a influência da relação água/cimento (ou a/ag, nesse caso) na resistência mecânica do concreto. Avaliando a influência do tipo de metacaulim nas propriedades mecânicas, verificou-se também que essa variável foi significativa nos resultados de ANOVA. Para a resistência à compressão, Figura 2a, os metacaulins M e X foram os que apresentaram os melhores resultados globais para essa propriedade, seguidos do metacaulim U e por fim os concretos de referência (sem metacaulim). No entanto, para o módulo de elasticidade, Figura 2b, o mesmo padrão não foi observado, isso pode ser explicado pelo fato de os agregados, sobretudo os graúdos, exercem maior influência no módulo de elasticidade do que a pasta (5,16). Figura 2 Comparação múltipla de médias da (a) resistência à compressão e (b) módulo de elasticidade, ambos em função do tipo de metacaulim. Os resultados de velocidade de propagação da onda ultrassônica são apresentados na Tabela 4, juntamente com o desvio-padrão e coeficiente de variação das amostras. Inicialmente, notase que os desvios-padrão e coeficiente de variação são baixos. Os valores médios foram de 5042 m/s para os concretos com relação a/ag igual a 0,40 e 4964 m/s para a relação a/ag igual 0,60. Em termos percentuais, os valores são próximos. No entanto, ao se avaliar por ANOVA, as duas variáveis consideradas na pesquisa relação a/ag e tipo de metacaulim foram significativas para explicar as alterações na velocidade de propagação da onda ultrassônica, porém com um coeficiente de determinação (R²) baixo, igual a 0,60. Para efeito de comparação, os R² de resistência à compressão e de módulo de elasticidade foram 0,99 e 0,96, respectivamente.

7 Tabela 5 Resultados de velocidade de propagação da onda ultrassônica, aos 91 dias. Velocidade média Relação a/ag Metacaulim (m/s) de propagação da Desvio-padrão Coeficiente de onda ultrassônica (m/s) variação (%) Ref ,6 0,5 0,40 U ,8 0,9 X ,4 1,7 M ,4 1,1 Ref ,2 1,4 0,60 U ,0 0,8 X ,3 1,4 M ,8 0,4 Assim como se observou nas outras propriedades, a diminuição da relação a/ag produziu mudanças significativas na estrutura interna do concreto, tornando-o mais denso e compacto. Isso refletiu em maiores velocidades de propagação da onda ultrassônica, Figura 3a. Na relação a/ag maior, a velocidade do ultrassom é menor, já que o concreto está mais poroso (menos denso), o que faz com que a onda se propague mais lentamente. Figura 3 - Comparação múltipla de médias da velocidade de propagação da onda ultrassônica em função (a) da relação a/ag e (b) do tipo de metacaulim. Da mesma forma como ocorreu no módulo de elasticidade, na velocidade de ultrassom, Figura 3b, o agrupamento do teste de Duncan (ANOVA) não seguiu uma ordem esperada. O concreto de referência (sem metacaulim) posicionou-se no patamar mais elevado, agrupando os concretos com metacaulins M e U mais abaixo, com o metacaulim X ao meio. Esse resultado é quase o oposto do verificado para resistência à compressão. Não fica claro, portanto, claro efeito do uso dos metacaulins no concreto, no que se refere à velocidade de ultrassom.

8 Para verificar a relação entre a velocidade da onda ultrassônica e as propriedades mecânicas do concreto, foram traçadas correlações com a resistência à compressão e com o módulo de elasticidade, apresentados nas figuras 4 e 5, respectivamente. Figura 4 Correlação entre Resistência à compressão e Velocidade da onda ultrassônica, para os concretos estudados. Ao contrário do que foi observado na literatura, no caso dos concretos estudados nesta pesquisa, não houve correlação entre resistência à compressão e velocidade de ultrassom. Hamid, Yosof e Zain (4) obtiveram comportamento parecido com os concretos contendo adições minerais que utilizaram em sua pesquisa, atribuindo à presença da cinza volante a alteração da correlação. Por outro lado, Mohamad, Carmo, Oliveira e Temp (17) observaram uma tendência do aumento da dispersão da correlação em maiores resistências. Figura 5 Correlação entre Módulo de elasticidade e Velocidade da onda ultrassônica, para os concretos estudados.

9 A correlação entre o módulo de elasticidade e a velocidade da onda ultrassônica foi maior do que a da resistência á compressão, no entanto ainda assim apresentou um coeficiente de determinação (R²) baixo, igual a 0,48. Ou seja, isso significa que nem a metade dos resultados de módulo de elasticidade podem ser explicados pela velocidade de ultrassom. Isso difere de resultados encontrados na literatura como Mohamad, Carmo, Oliveira e Temp (17) e Toralles- Carbonari et al. (18), que encontraram uma forte correlação entre as duas propriedades, com R² maior que 0,90. A baixa correlação encontrada nesta pesquisa pode ser devido ao fato de que os próprios resultados de módulo de elasticidade não foram como esperado, e com forte correlação com resistência à compressão. 4. CONCLUSÃO Nesta pesquisa, que envolveu principalmente a avaliação de concreto com três diferentes tipos de metacaulim produzidos por um mesmo fabricante nacional, constatou-se que as adições minerais alteraram significativamente a estrutura interna dos concretos. Como consequência, verificou-se uma significativa alteração nos resultados de resistência à compressão. No entanto, os resultados de módulo de elasticidade não foram conclusivos sobre a real e efetiva influência dos metacaulins. Verificou-se que o ensaio de velocidade de ultrassom é uma técnica expedita para avaliação das características do concreto, possuindo alta reprodutibilidade (baixo coeficiente de variação). Além disso, observou-se que a técnica é capaz de diferenciar concretos com diferentes relações água/aglomerante. Porém, não foi capaz de distinguir com precisão e confiabilidade os concretos contendo adições minerais. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Metacaulim do Brasil pela doação de material, apoio e financiamento à pesquisa, à Realmix pela doação de material e concessão dos laboratórios, à Capes pela concessão de bolsa de mestrado e ao CNPq pelas bolsas concedidas aos pesquisadores (PQ). REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Malhotra VM. NDT Techniques. In: Ramachandran VS, Beaudoin JJ, editors. Handbook of analytical techniques in concrete science and technology: principles, techniques, and applications. Norwich: Noyes Publications; p BS BS. BS EN Testing concrete. Determination of ultrasonic pulse velocity. London: BSI; p Ribeiro DV, Cunha MPT. Técnicas de avaliação e monitoramento da corrossão em estruturas de concreto armado. In: Ribeiro DV, editor. Corrosão em estruturas de concreto armado: teoria, controle e métodos de análise. Rio de Janeiro: Elsevier; p

10 4. Hamid R, Yusof KM, Zain FM. Ultrasonic Testing of HPC with Mineral Admixtures. Omar M, editor. Nondestructive testing methods and new applicattions. InTech; p. 5. Pacheco J, Bilesky P, Morais TR, Grando F, Helene P. Considerações sobre o Módulo de Elasticidade do Concreto. In: ANAIS DO 56 o CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO. Natal: IBRACON; p. 14 p. 6. Teodoro R. Avaliação das características de diferentes metacaulins e sua influência na estrutura interna do concreto e em propriedades ligadas à durabilidade. Esc Eng Civ e Ambient. 2016;d:191 p. 7. Helene P, Terzian P. Manual de dosagem e controle do concreto. São Paulo: Ed. Pini; p. 8. Tutikian B, Helene P. Dosagem dos concretos de cimento Portland. In: Isaia GC, editor. Concreto: Ciência e Tecnologia. São Paulo: IBRACON; p Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). NBR Concreto - Procedimento para moldagem e cura de corpos-de-prova. Rio de Janeiro: ABNT; p Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). NBR NM 67 - Concreto - Determinação da consistência pelo abatimento do tronco de cone. Rio de Janeiro; p Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). NBR Concreto fresco - Determinação da massa específica, do rendimento e do teor de ar pelo método gravimétrico. Rio de Janeiro: ABNT; p Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). NBR Concreto - Ensaios de compressão de corpos-de-prova cilíndricos. Rio de Janeiro: ABNT; p Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). NBR Concreto - Determinação do módulo estático de elasticidade à compressão. Rio de Janeiro: ABNT; p Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). NBR Concreto endurecido - Determinação da velocidade de propagação de onda ultrassônica. Rio de Janeiro: ABNT; p Abrams D. Design of concrete mixtures. Vol. Bulletin n. Chicago: Structural Materials Research Laboratory, Lewis Institute; p Mehta PK, Monteiro PJM. Concrete : microstructure, properties, and materials. 3rd ed. New York ; London: McGraw-Hill; Mohamad G, Carmo PIO do, Oliveira M de JD de, Temp AL. Métodos combinados para a avaliação da resistência de concretos. Matéria (Rio Janeiro) Mar;20(1): Toralles-Carbonaria BM, Cavalaro SH, Castanha JCM, Guacelli PAG, Silva CC. Utilização do método ultra-sônico para avaliação da performance do concreto de alto desempenho. Rev IBRACON Estruturas e Mater. IBRACON - Instituto Brasileiro do Concreto; 2010 Dec;3(4):