Utilização de betões de ultra elevada durabilidade (UHDC) na pré-fabricação e reabilitação de estruturas

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1 Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE01 FEUP, 4-6 de outubro de 01 Utilização de betões de ultra elevada durabilidade (UHDC) na pré-fabricação e reabilitação de estruturas RESUMO Rui Saldanha 1 Pedro Santos Eduardo Júlio 3 O dimensionamento ao corte longitudinal da interface de elementos compósitos de betão, obtidos pela colocação de camadas de betão em diferentes idades, é fundamental para garantir o seu comportamento monolítico, sendo particularmente relevante em: i) construções existentes, quando sujeitas a reparação e reforço estrutural; e ii) construções novas, quando se recorre por exemplo à utilização de elementos pré-fabricados com partes betonadas in situ. Os betões de ultra elevada durabilidade (UHDC Ultra High Durability Concrete) apresentam duas vantagens significativas relativamente aos betões de densidade normal (BDN) e betões estruturais de agregados leves (BEAL): 1) elevada resistência mecânica; e ) elevada durabilidade. No entanto, a produção do UHDC representa custos elevados, tanto ao nível económico como ambiental, não podendo ser realizada em grandes quantidades. De forma a reduzir os impactos da sua utilização e, simultaneamente, tirar partido das suas propriedades, propõe-se que a sua aplicação seja efetuada exclusivamente no recobrimento de elementos estruturais produzidos com outro tipo de betão. Desta forma, o núcleo do elemento estrutural pode ser constituído por betões correntes (BDN ou BEAL) sendo o seu recobrimento em UHDC. Desta combinação resulta um elemento compósito de betão armado, que apresenta simultaneamente um bom comportamento mecânico; uma elevada durabilidade; e, principalmente, um custo competitivo, quando comparado com outras alternativas. É atualmente reconhecido que são três os mecanismos de transferência de carga que contribuem para a resistência ao corte longitudinal da interface betão-betão: i) adesão; ii) atrito; e iii) dowel action. Na presente comunicação é apenas abordado o estudo do primeiro mecanismo adesão na ligação entre betões de ultra elevada durabilidade (UHDC) e betões de densidade normal (BDN) e betões estruturais de agregados leves (BEAL). Com o objetivo de quantificar a adesão entre BDN-UHDC e BEAL-UHDC, desenvolveu-se um estudo experimental em que se recorreu ao Modified Slant Shear Test (M-SST). Foram produzidos diversos provetes compósitos do M-SST, com partes em UHDC e BDN/BEAL, que posteriormente foram ensaiados à compressão para determinação da resistência da interface ao corte. Foram adotadas duas condições distintas para a preparação da superfície da interface. Nesta comunicação descreve-se o 1 3 ICIST, Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade de Coimbra, rsaldanha@dec.uc.pt ICIST, Departamento de Engenharia Civil, Escola Superior de Tecnologia e Gestão, Instituto Politécnico de Leiria, pedro.santos@ipleiria.pt ICIST, Departamento de Engenharia Civil, Instituto Superior Técnico da Universidade Técnica de Lisboa, ejulio@civil.ist.utl.pt

2 Utilização de betões de ultra elevada durabilidade (UHDC) na pré-fabricação e reabilitação de estruturas programa experimental, apresentam-se os materiais e métodos adotados e discutem-se os resultados obtidos com base na influência do tipo de betão e do método de preparação da interface. As principais conclusões obtidas são apresentadas. Palavras-chave: Betão; UHDC; Adesão; Corte; Durabilidade. 1. INTRODUÇÃO O betão armado é o material mais utilizado na construção de edifícios correntes, para habitação, serviços e comércio, e obras de arte como pontes, viadutos, túneis e barragens. O facto de ser moldável enquanto fresco, apresentar uma resistência à compressão relativamente elevada e um baixo custo de produção, comparativamente a outros materiais como o aço estrutural, tornam-no um dos materiais preferidos a nível mundial. Ao estar exposto às condições ambientais, o betão armado é sujeito ao ataque de diferentes agentes de deterioração, tais como os agentes físicos e químicos, entre outros. Uma das principais desvantagens da sua utilização como material de construção encontra-se relacionada com a sua durabilidade. A correta especificação do ambiente de exposição, e consequente definição do recobrimento das armaduras e o tipo e quantidade dos constituintes do betão, permite ultrapassar este problema com relativo sucesso durante o período de vida útil da estrutura. Outra desvantagem frequentemente referida é a sua reduzida resistência à tração, motivo pela qual ocorre fissuração que pode conduzir ao aceleramento da deterioração. O recente desenvolvimento de betões de ultra elevada durabilidade (UHDC) veio permitir a utilização do betão armado em estruturas com períodos de vida útil mais longos, bem como o seu uso em novas aplicações e ambientes mais agressivos [1]. Duas das principais características dos UHDC são a sua baixa relação água/cimento e uma matriz ultra compacta (Fig. 1a), que permitem obter uma permeabilidade reduzida e, consequentemente, um bom comportamento em termos de durabilidade e um aumento de resistência à compressão e tração. O elevado desempenho do UHDC é apenas possível devido à elevada percentagem de cimento e adições, resultando por isso em elevados custos, tanto ao nível económico como ambiental. Por este motivo, a sua produção não pode ser realizada em grandes quantidades. Procurando maximizar a sua aplicação devido às excelentes propriedades mecânicas e de durabilidade e, simultaneamente, reduzindo os impactos negativos da sua utilização, os autores propõem que o UHDC seja utilizado exclusivamente como recobrimento de elementos estruturais produzidos com betões correntes de densidade normal (BDN) (Fig. 1b) e betões estruturais de agregados leves (BEAL) (Fig. 1c). Esta filosofia de utilização permite obter elementos compósitos de betão armado, que apresentam simultaneamente um bom comportamento mecânico; uma elevada durabilidade; e, principalmente, um custo competitivo, quando comparado com outras alternativas de mercado. a) b) c) Figura 1. Superfícies representativas de: a) UHDC; b) BDN; e c) BEAL.

3 Saldanha, Santos e Júlio Para que seja possível obter um comportamento monolítico do elemento compósito de UHDC e BDN/BEAL é fundamental que os esforços sejam transmitidos entre as diferentes camadas que o constituem. Para tal, é necessário proceder ao dimensionamento da interface betão-betão ao corte longitudinal. A seguir apresenta-se um estudo experimental desenvolvido com o objetivo de quantificar a adesão na interface betão-betão. Descrevem-se os materiais e métodos utilizados e apresentam-se e discutem-se os resultados obtidos. As conclusões mais relevantes deste estudo são apresentadas.. PROGRAMA EXPERIMENTAL A seguir apresentam-se os materiais e métodos utilizados no desenvolvimento do programa experimental, incluindo: i) a geometria do ensaio de aderência; ii) a composição dos betões utilizados; iii) a preparação da superfície da interface; iv) a diferença de idades entre as diferentes camadas de betão; e v) os resultados experimentais obtidos para a adesão..1 Modified Slant Shear Test (M-SST) Para avaliar a adesão na interface entre BDN-UHDC e BEAL-UHDC foi adotado o ensaio Modified Slant Shear Test (M-SST) []. Este ensaio foi proposto anteriormente pelos autores, e é semelhante ao ensaio de corte inclinado, universalmente conhecido por Slant Shear Test (SST) [3, 4], sendo a interface sujeita a um estado combinado de tensões de compressão e corte. As principais diferenças do M-SST para o SST consistem: 1) na otimização da geometria, para que a distribuição de tensões na interface seja uniforme; e ) na introdução de armadura de reforço em ambas as metades que constituem o provete, para que as roturas obtidas sejam sempre adesivas, ou seja, por descolamento da interface e não por esmagamento do betão mais fraco. Deste modo, o ensaio M-SST apresenta todas as vantagens do tradicional ensaio SST, com uma vantagem adicional que é forçar a obtenção de roturas adesivas. Obtém-se assim o valor real da tensão de corte na interface e não uma estimativa conservativa baseada em provetes compósitos que apresentam roturas coesivas. O provete do M-SST adotado neste estudo apresenta uma secção transversal de mm, uma altura total de 600 mm e uma interface que faz um ângulo de 30º com a vertical. Na Fig. apresentase uma metade do provete com a disposição da armadura de reforço e as dimensões genéricas do provete M-SST. a) b) Figura. Modified Slant Shear Test (M-SST): a) esquema de metade do provete; e b) dimensões genéricas. 3

4 Utilização de betões de ultra elevada durabilidade (UHDC) na pré-fabricação e reabilitação de estruturas A tensão normal e de corte na interface podem ser determinadas dividindo as componentes normal e tangencial da força de compressão, respetivamente, pela área do plano de corte da interface. Nas equações (1) e () são fornecidas expressões genéricas para a determinação destas componentes, sendo σ a tensão normal na interface; τ a tensão de corte na interface; P a força de compressão do provete; α o ângulo entre a interface e a vertical; e a a dimensão da aresta da secção transversal. sin = P α σ (1) a cos sin = P α α τ () a. Composição dos betões Foram adotados três tipos de betão, nomeadamente: i) betão de densidade normal (BDN); ii) betão estrutural de agregados leves (BEAL); e iii) betão de ultra elevada durabilidade (UHDC). Tal como referido anteriormente, pretende-se que o BDN e o BEAL sejam utilizados apenas no fabrico do núcleo dos elementos estruturais. Por este motivo, adotaram-se ambos os betões para a metade do M- SST correspondente ao substrato. Para a metade do provete M-SST correspondente ao betão adicionado, adotou-se apenas o UHDC uma vez que a utilização pretendida para este betão é a de recobrimento. No Quadro 1 apresentam-se os materiais constituintes e quantidades adotadas para cada tipo de betão. As composições do BDN e do BEAL foram definidas de modo a terem aproximadamente a mesma tensão de rotura à compressão, mas significativamente inferiores à do UHDC. Quadro 1. Constituintes das composições de betão. Constituintes [kg/m 3 ] BDN BEAL UHDC Cimento II 3.5 R Cimento II 4.5 R Cimento II 5.5 R Areia Fina (0- mm) Areia Média (0-4 mm) Bago (0-5 mm) Brita Granítica (5-15 mm) Argila Expandida Filer Sílica de Fumo Água Super Plastificante No Quadro apresentam-se os valores da tensão de rotura à compressão para cada tipo de betão utilizado. Para o BDN e BEAL foram utilizados provetes cúbicos com 150 mm de aresta enquanto que o UHDC foi caracterizado através de provetes cúbicos de 100 mm de aresta, de acordo com a norma NP EN [5]. Note-se que com a composição utilizada na produção de UHDC seria possível atingir resistências significativamente superiores. Para tal seria necessário utilizar condições especiais de cura, nomeadamente de temperatura e humidade relativa. Na composição deste tipo de betão, a relação água/cimento é reduzida de modo a aumentar a resistência e, devido a esse fato, o cimento não é hidratado na sua totalidade. O processo de cura possibilita a hidratação da totalidade do cimento o que resulta num aumento significativo da resistência. 4

5 Saldanha, Santos e Júlio Neste trabalho pretende-se quantificar a resistência da interface entre camadas de betão de diferentes idades, em que se verifiquem diferenças significativas de resistência à compressão e, por conseguinte, um aumento da rigidez diferencial entre camadas. Com as composições utilizadas consegue-se cumprir esse objetivo não sendo necessário utilizar condições especiais de cura na produção do UHDC. Tipo de Betão BDN BEAL UHDC Quadro. Valores da tensão de rotura à compressão. Tensão de Rotura Média Desvio Padrão Coeficiente de Variação [%] Preparação da superfície da interface Considerando que neste estudo apenas se pretendeu quantificar a adesão da interface betão-betão, e sendo esta significativamente influenciada pela resistência do betão mais fraco e pela rugosidade da superfície do substrato, decidiu-se efetuar um estudo preliminar com o objetivo de identificar quais os tipos de rugosidade a considerar para os provetes M-SST. Foram selecionados cinco diferentes condições para a superfície da interface, nomeadamente: i) superfície lisa (L), obtida por betonagem contra cofragem metálica; ii) superfície lisa com retardador de presa (LRP), obtida por betonagem contra cofragem metálica e posterior lavagem com jato de água; iii) jato de granalha (G); iv) superfície ondulada (O), obtida por betonagem contra cofragem metálica com esta caraterística geométrica; e v) raspagem manual (RM). Para cada condição da interface foram produzidos três provetes M-SST. Todos os tratamentos foram aplicados com o betão do substrato já endurecido, exceto a raspagem manual que foi realizada com o betão ainda fresco no início da presa. Neste estudo preliminar adotouse apenas o BDN para o fabrico das duas metades do provete M-SST. Após a betonagem do substrato, procedeu-se ao tratamento da superfície da interface e armazenamento dos provetes durante 8 dias no laboratório sob condições normais de trabalho. Após a colocação do betão adicionado aguardou-se mais 8 dias. Assim sendo, à data do ensaio o betão do substrato e o betão adicionado apresentavam 56 e 8 dias de idade, respetivamente. Para quantificar a rugosidade da superfície do substrato recorreu-se à utilização de um rugosímetro laser D [6]. Efetuaram-se dez medições em cada tipo de superfície para obter os respetivos perfis de rugosidade e, a partir destes, determinou-se o parâmetro Profundidade Média do Vale (R vm ) [7] para cada perfil. No Quadro 3 apresentam-se os valores médios obtidos para a Profundidade Média do Vale (R vm ). Quadro 3. Profundidade Média do Vale (R vm ). Tratamento da Média Desvio Padrão Coeficiente de L LRP G O RM

6 Utilização de betões de ultra elevada durabilidade (UHDC) na pré-fabricação e reabilitação de estruturas No Quadro 4 apresentam-se os valores da tensão de corte na interface para cada provete e respetivos valores médios, desvio padrão e coeficiente de variação para cada série. Todas as roturas obtidas foram adesivas, ou seja, com descolamento pela interface. Tratamento da Interface L LRP G O RM Quadro 4. Valores da resistência ao corte (τ). Resistência ao Corte (τ) Média Desvio Padrão Coeficiente de Variação [%] Na Fig. 3 apresenta-se a relação entre o parâmetro de rugosidade Profundidade Média do Vale (R vm ) e a resistência ao corte (τ). Ajustando os valores individuais a uma função do tipo potência, verifica-se a existência de uma elevada correlação entre ambos (R = 0.93). Resistência ao corte, τ (MPa) L LRP G O RM τ = 11.61R vm R² = Profundidade média do vale, Rvm (mm) Figura 3. Correlação entre a Profundidade Média do Vale (R vm ) e a resistência ao corte da interface. Analisando os resultados obtidos, constata-se que a superfície lisa é a que conduz aos menores valores da resistência ao corte da interface, tal como esperado. Constata-se que os restantes tratamentos da interface conduzem a um aumento da resistência ao corte da interface, embora as diferenças sejam pouco significativas entre eles. Com base nos resultados obtidos, optou-se pela seleção da superfície lisa (L) e da superfície ondulada (O) para o fabrico dos provetes compósitos em BDN-UHDC e BEAL-UHDC. Apesar da superfície ondulada (O) não ter sido aquela que conduziu à obtenção da máxima resistência ao corte da interface, optou-se por esta devido à uniformidade do tratamento e, consequentemente, menor variabilidade nos resultados obtidos e maior facilidade na sua interpretação 6

7 Saldanha, Santos e Júlio.4 Provetes BDN-UHDC e BEAL-UHDC Estando definidos todos os parâmetros necessários à avaliação da resistência ao corte da interface entre BDN-UHDC e BEAL-UHDC, procedeu-se ao fabrico dos provetes. Para cada situação considerada tratamento da interface e tipo de betão foram realizados três provetes, correspondendo no total a doze provetes. O procedimento de betonagem e cura do betão do substrato foi idêntico ao adotado anteriormente. Após esta operação, os provetes foram armazenados no laboratório em condições normais de trabalho durante 8 dias. Após este período, foi colocado o betão adicionado (UHDC) e aguardou-se mais 8 dias. De seguida, procedeu-se ao ensaio dos provetes M-SST à compressão para obtenção da resistência ao corte da interface (Fig. 4). Figura 4. Provete M-SST constituído por BDN-UHDC. No Quadro 5 apresentam-se os valores da tensão de corte na interface para cada provete e respetivos valores médios, desvio padrão e coeficiente de variação para cada série. Betão do Substrato- Adicionado Quadro 5. Resultados experimentais do M-SST com BDN-UHDC e BEAL-UHDC Tensão de Corte Desvio Tratamento Média na Interface Padrão da Interface 8.4 L BDN-UHDC 15.6 O * L BEAL-UHDC O * ocorreu a separação das duas metades pela interface antes do ensaio. Coeficiente de Variação [%] Todas as roturas obtidas foram adesivas (Fig. 5a), com descolamento pela interface. É de realçar a ocorrência, num número reduzido de provetes, do destacamento de parte do UHDC (Fig. 5b). 7

8 Utilização de betões de ultra elevada durabilidade (UHDC) na pré-fabricação e reabilitação de estruturas a) b) Figura 5. Ensaio do M-SST: a) Rotura adesiva; e b) Destacamento do UHDC. Analisando os resultados do Quadro 5, conclui-se que: 1) ocorre um aumento significativo da resistência ao corte com o aumento da rugosidade da superfície da interface; ) os provetes cuja interface é constituída pela superfície ondulada (O) apresentam coeficientes de variação significativamente inferiores aos provetes com a interface lisa (L); e 3) os provetes com o substrato constituído por BEAL apresentam uma resistência ao corte superior aos provetes constituídos por BDN, para a interface com superfície ondulada. Era expetável que a resistência dos provetes em que foi utilizado BEAL como substrato apresentasse menor resistência devido a apresentarem menor densidade que o BDN. No entanto, o fato de o BEAL apresentar um valor de resistência à compressão superior ao BDN pode justificar os resultados obtidos. 3. CONCLUSÕES A utilização de betões de ultra elevada durabilidade (UHDC) apresenta diversas vantagens comparativamente aos betões correntes, nomeadamente no aumento da resistência e da durabilidade. Contudo, o seu custo de produção é demasiado elevado para serem utilizados de forma arbitrária. Uma utilização racional do UHDC pode passar pela sua aplicação como recobrimento em elementos estruturais, moldados em obra ou pré-fabricados em betão corrente (BDN ou BEAL). O programa experimental desenvolvido com o objetivo de avaliar a resistência ao corte da interface entre BDN-UHDC e BEAL-UHDC demonstrou as vantagens da utilização do novo ensaio proposto recentemente pelos autores, o Modified Slant Shear Test (M-SST). Todas as roturas obtidas foram adesivas, ou seja, a resistência ao corte da interface não foi determinada com base em valores conservativos obtidos a partir de roturas coesivas. Por este motivo, recomenda-se a adoção do M-SST na avaliação experimental da resistência entre camadas de betão de diferente idade. Concluiu-se que a preparação da superfície da interface é fundamental na obtenção de uma adequada adesão entre betão do substrato e betão adicionado. Para a superfície lisa (L) verificou-se que com o BDN como substrato se obteve uma resistência superior em comparação com a situação em que se utilizou BEAL. Essa situação inverteu-se para a superfície ondulada (O), ou seja, para um tratamento mais rugoso, obtiveram-se valores mais elevados de resistência utilizando o BEAL, fato que pode ser explicado devido a este apresentar um valor de resistência à compressão superior ao BDN. Com base nos resultados obtidos, demonstra-se que a utilização de UHDC em associação com outros betões pode ser executada. No entanto, é essencial efetuar um tratamento adequado que permita aumentar a rugosidade da superfície do betão de substrato, de forma a obter resistências mais elevadas. 8

9 Saldanha, Santos e Júlio AGRADECIMENTOS Este trabalho foi financiado pela Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) através do projeto com a referência PTDC/ECM/098497/008. REFERÊNCIAS [1] Ghafari, E. [et al.] (01) Enhanced durability of Ultra High Performance Concrete by incorporating supplementary cementitious materials, Second International Conference on Microstructural-related Durability of Cementitious Composites, April 01, Amsterdam, The Netherlands. [] Saldanha, R. [et al.] (01) Ensaio slant shear modificado para obter roturas adesivas. Betão Estrutural 01. [3] BS EN , Products and systems for the protection and repair of concrete structures - Determination of Slant Shear Strength. European Committee for Standardization. 1 p. [4] ASTM C , Standard test method for bond strength of epoxy-resin systems used with concrete by slant shear. American Society for Testing Materials. 3 p. [5] NP EN (009) - Ensaios do betão endurecido. Parte 3: Resistência à compressão de provetes. Instituto Português da Qualidade. 1 p. [6] Santos, P. [et al.] (008). Development of a laser roughness analyser to predict in situ the bond strength of concrete-to-concrete interfaces. Magazine of Concrete Research. Vol. 60, No. 5, pp [7] Saldanha, R. [et al.] (011) fib Model-Code 010 approach for concrete-to-concrete interfaces, IABSE-IASS, London. 9