Propriedade de Concreto e AçoA. Prof. Ibrahim A. E. M. Shehata COPPE/UFRJ

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1 Propriedade de Concreto e AçoA Prof. Ibrahim A. E. M. Shehata COPPE/UFRJ

2 Propriedades do Concreto e do Aço (COC 782) Ementa (Parte II) Propriedades do Concreto: Histórico Introdução Compressão e tração uniaxial Módulo de Elasticidade Estado Multiaxial de Tensões Relações Tensão-deformação Fadiga Efeitos de Temperatura Fluência e Retração Propriedades do Aço: Tipos de Aço Diagramas Tensão-deformação Relaxação Fadiga Efeitos de Temperatura Aderência Aço-Concreto Critérios de Ruptura Introdução à Análise Experimental

3 Histórico 3000 a.c. 300 a.c Os Egípcios misturaram palha com argila para fazer tijolos. Também usaram massa de cal e gesso na construção das pirâmides Os Romanos usaram cal sozinha ou misturada à cinza vulcânica chamada pozolana, encontrada em Pozzouli na região de Nápoles, como material cimentício. Foram reportados dois tipos de misturas; um contendo 1 parte de cal para 4 partes de areia e outro contendo 2 partes de pozolana para 1 parte de cal. Gordura animal, leite e sangue foram utilizados como aditivos John Smeaton usou pasta de cal para construir uma pequena casa em Cornwall, Inglaterra. Joseph Aspdin, em Leeds, Inglaterra, patenteou o que ele chamou de Cimento Portland, em referência a uma rocha forte encontrada na ilha de Portland na costa britânica.

4 Histórico Os primeiros testes sistemáticos de compressão e de tração para definir a resistência de concreto foram feitos na Alemanha. William B. Wilkinson construiu a primeira casa em concreto armado para seus criados, na Inglaterra. O Cimento Portland foi usado na construção do sistema de esgoto de Londres William E. Ward construiu o primeiro edifício em concreto armado em Port Chester, NY, projetado pelo arquiteto Robert Mook O primeiro forno rotativo para fabricação do cimento foi construído na Inglaterra A primeira ponte em concreto armado foi construída nos Estados Unidos

5 Histórico s 1960s 1967 A primeira pista de rua em concreto foi feita nos Estados Unidos A American Society for Testing Materials estabeleceu padrões para o Cimento Portland Eugene Freyssinet protendido apresentou o conceito do concreto As primeiras barragens em concreto foram construídas: Hoover Dam e Grand Coulee Dam Os Portland Cement Laboratories aperfeiçoaram a incorporação de ar no concreto Concretos com resistência à compressão de MPa foram usados em pilares Primeiro domo de ginásio esportivo em concreto é feito, Assembly Hall nos Estados Unidos

6 Histórico 1970s 1980s 1990s 1992 Concretos com fibras metálicas, e concretos de 60 MPa com superplasticantes Concretos com altas resistências Concretos com fibras sintéticas e de altíssima resistência Prédio mais alto em concreto foi construído (284m) em Chicago 2000s Durabilidade, crescimento sustentável

7 Concreto Romano

8 Concreto Comum de Hoje

9 Propriedade do Concreto 1 - Introdução: Concreto é uma Rocha Artificial composta de: Agregado Graúdo ( > 4,8 mm) Agregado miúdo (<= 4,8 mm) Material Cimentíceo (água + Cimento)

10 1.1- Tipos de Cimento Portland comum - CPI Portland de Alta Resistência Inicial - CP V-ARI Portland Pozolânico - CP IV Portland resistente a Sulfatos - sigla do tipo+rs Portland de alto forno - CP III Portland composto - CP II

11 1.2- Fabricação do Cimento Mistura de calcário (60-65%) e argila (35-40%) Queima em forno (1450 C) até a formação do Clinker Moagem do "Clinker" (moinho de bolas) até uma finura de 75 µm (95%) e 150 µm (100%). O cimento tem massa específica = 3150 kg/m 3

12 1.3- Principais Componentes do Cimento Tipo De Cimento Silicato tricálcico (C3S) Silicato Bicálcico (C2S) Aluminato tricálcico (C3A) Ferroaluminato tetracálcico (C4AF) CP I CP V CP IV RS

13 Características dos Componentes Silicato Tricálcico (C 3 S) : Produz calor de hidratação Responsável pela cura Produz cristais CSH Produz "Gel" Responsável pela resistência nos primeiros 14 dias

14 Características dos Componentes Silicato Bicálcico (C 2 S) : Produz pouco calor de hidratação Produz cristais CSH Responsável pela resistência após 14 dias Resistente aos ataques químicos

15 Características dos Componentes Aluminato Tricálcico (C 3 A) : Produz Calor de Hidratação Responsável pela cura rápida Pouco resistente a ataques químicos Ferroaluminato Tetracálcico (C 4 AF) : Menos Importante

16 1.4- Classificação dos Agregados Origem: Natural Artificial Reciclado Textura superficial: Liso Áspero Massa específica: Leve Normal Pesado Dimensão máxima: Graúdo (Brita) > 4,8 mm Miúdo (Areia) 4,8 mm Forma: Esférico Cúbico Lamelar Alongado Discóide Outros

17 Agregados naturais

18 Agregados artificiais

19 Agregados de açoa

20 1.5- Quantidade de Água Necessária para Hidratação do Cimento onde: W t = W c + W p W c é a quantidade de água necessária para as reações químicas 20% (C 3 S+C 2 S) + 40% (C 3 A+C 4 AF) em peso W p é a quantidade de água necessária para encher os poros 20% do volume da pasta de cimento

21 Quantidade de Água Necessária para Hidratação do Cimento - Exemplo Para 100 gramas de cimento portland comum W c = 0,2 (40+30) + 0,4 (11+11) = 23 g O volume da pasta de cimento é, portanto, V pasta = 100/3, /1 + V p onde V p é o volume dos poros Se V p /V pasta = 20%, então, V p = 13,7 ml, e, portanto, W p = 13,7 x 1 = 13,7 g W t = ,7 = 36,7 g W t /C = 36,7/100 = 0,367

22 1.6- Aditivos Químicos e Minerais Segundo a NBR 11768, os tipos de aditivos (químicos) para o concreto são: P plastificante: aumenta o índice de consistência do concreto se mantida a quantidade de água de amassamento, ou a redução de no mínimo 6% da quantidade de água para produzir um concreto com determinada consistência. R retardador: aumenta os tempos de início e fim de pega do concreto A acelerador: diminui os tempos de início e fim de pega do concreto PR plastificante retardador: combina os efeitos de plastificantes e retardadores PA plastificante acelerador: combina os efeitos de plastificantes e aceleradores IAR incorporador de ar: incorpora pequenas bolhas de ar ao concreto SP superplastificante: aumenta o índice de consistência do concreto se mantida a quantidade de água de amassamento, ou a redução de no mínimo 12% da quantidade de água para produzir um concreto com determinada consistência. SPR - superplastificante retardador SPA - superplastificante acelerador

23 Quantidade e Eficiência dos Aditivos Quantidade: A faixa de dosagem dos aditivos, geralmente expressa em percentagem da massa de cimento, é recomendada pelo fabricante Eficiência: A sua eficiência depende do cimento usado e pode depender da temperatura.

24 Outros Tipos de Aditivos Aditivos expansivos, redutores de retração e outros. Podem também ser adicionados ao concreto materiais chamados pozolanas, que são materiais silicosos finos que, na presença de umidade, reagem com componentes do cimento formando compostos com propriedades cimentícias. Eles podem reduzir o custo do concreto, melhorar sua trabalhabilidade, diminuir o calor de hidratação e aumentar a durabilidade. Cinza volante, sílica ativa, metacaulita, escória e cinza de casca de arroz são exemplos de pozolanas. Fibras (metálicas, sintéticas e naturais)

25 Concreto com fibras metálicas

26 1.7- Ensaios de Controle de Qualidade Ensaios do cimento Tempo de início de pega Tempo de de fim de pega Finura Expansibilidade Resistência à compressão Outros Ensaios dos agregado Granulometria Teor de umidade Reatividade potencial Substâncias nocivas Resistência ao esmagamento Resistência ao desgaste Outros

27 Ensaios de Controle de Qualidade ENSAIOS DO CONCRETO Consistência Teor de ar Resistência à compressão - cilindros 150x300 mm ou 100x200mm - cubos 150x150 ou 200x200mm Resistência à tração - Direta - Indireta, compressão diametral (150x300mm) - Indireta, Flexão de prismas (100x100x500mm) Módulo de elasticidade Permeabilidade

28 Ensaios à Compressão

29 Modo de Ruptura à Compressão

30 Ensaios à Tração direta

31 Ruptura à Tração direta

32 Ensaios à Tração Indireta (compressão diametral)

33 Ruptura à Tração Indireta (compressão diametral)

34 Ensaios à Tração Indireta (tração na flexão)

35 Ensaios Não Destrutivos Penetração de Pinos (Probe Penetration) Esclerômetro (Rebound Hammer) Ultrasonic (Ultrasonic) Ensaio de Arrancamento (Pull-off) Extração de Testemunhos

36 Ensaios Não Destrutivos

37 1.8- Fatores que Influenciam a Resistência do Concreto Relacionados com o traço: Características e Proporções dos Materiais; Fator água/cimento Consumo de cimento Tipo do cimento Resistência e forma dos agregados Textura da superfície dos agregados Massa específica Aditivos minerais Condições de Cura; Tempo e tipo de cura Parâmetros de Ensaio; Velocidade de carregamento Umidade Dimensões do corpo de prova Capeamento. Na Estrutura: Qualidade da fôrma Consistência e homogeneidade Trabalhabilidade Lançamento do concreto Densidade da armadura Compactação e Cura Temperatura Superfície exposta ao ambiente Volume do concreto Juntas de concretagem

38 Fator água/cimento

39 Tipo de cimento Tipo de cimento portland (ASTM) Resistência à compressão (porcentagem em relação à do concreto de cimento portland comum) 1 dia 7 dias 28 dias 90 dias Tipo de cimento portland (ABNT) I Normal ou uso comum CP I II Calor de hidratação moderado e moderada resistência a sulfatos III Alta resistência inicial CP V ARI IV Baixo calor de hidratação V Resistente a sulfatos CP I RS

40 Tipo de cimento

41 Transferência de Esforços os Forças Transferidas pelo agregado Graúdo F a F a F a F a Resistência fornecida pela colagem lateral dos agregados F L

42 Agregado Graúdo A resistência do agregado não é normalmente um fator determinante na resistência do concreto. O aumento da dimensão máxima do agregado pode ter efeitos opostos sobre a resistência do concreto.

43 Tempo e tipo de cura

44 Concreto de Alta Resistência

45 Microssílica % passante Diâmetro (micrometro) Dióxido de Sílica (SiO 2 ), é um rejeito muito fino produzido em fornos resultante da queima de quartzo+carvão a 2000 o C para produzir metais de sílica e ferrosílica. É uma pozolana ativa

46 Ação Física F da Microssílica Cimento Microssílica

47 Ação Química da Microssílica Cimento Portland + Água = Silicato de cálcio c hidratado (CSH) + hidróxido de cálcioc Pozolana + hidróxido do cálcio c + Água = Silicato de cálcio c hidratado (CSH)

48 Desenvolvimento da Resistência do Concreto sem e com Microssílica Resistência à Compressão (MPa) cimento: 390 kg/m 3 a/c: 0, Idade (dias) 15% 10% 5% 0%

49 Aplicações do CAR Pontes e Pistas de Concreto

50 Em Pilares e Regiões Próximas

51 Estacionamento Capitol South Columbus, OH 5000 Vagas

52 Ponte parcialmente submersa (entre Suécia e Dinamarca)

53 Concreto com Fibras

54 Fibras para o Concreto TIPOS DE FIBRAS Fibras Minerais Ex: Amianto e Vidro Fibras Orgânicas Fibras Metálicas Ex: Aço Fibras Naturais Ex: Sisal, Coco e Juta Fibras Sintéticas Ex: Náilon, Polipropileno e Poliéster

55 Tipos de Fibras Tipo de Fibra Diâm. (µm) Massa Específica (kg/m 3 ) Coefic. de Poisson Resist. à tração (N/mm 2 ) Mód. De Elast. (kn/mm 2 ) Along. na ruptura (%) Teores típicos volume (%) Resist. aos álcalis Amianto (crisotila) 0,02 a , a 3 10 boa Aço 5 a ,28 a 0, a a a 4 0,5 a 2 boa Vidro E 9 a ,22 a 0, a a 3,5 1 a 8 boa Vidro CEM- FIL 10 a , a a 84 2 a 3 1 a 8 razoável Carbono ,2 a 0, a a a 12 boa KEVLAR PRD 49(*) , a < 2 boa Poliprop. fibrilado 4 a ,29 a 0, a a 8 8 0,2 a 2 boa Coco 100 a a a a 25 1 a 5 pobre Sisal 7 a a a 26 3 a 5 1 a 5 pobre Juta 20 a a a 32 1,5 a 2 1 a 5 pobre

56 Concreto com Fibras Metálicas

57 Influência do Teor da Fibra na Resistência à Tração f ctf, f = f ct, f l ( 1 V ) + 5 V f f d

58 Influência do Teor de Fibras na Resistência à Compressão

59 Ação da Fibra Carga (kn) f c V-4 73,8 V-6A 83,1?f y 1,70 1,83 P cr 16,2 20,2 P u 35,3 34,0 V4 V-6A Deslocamento (mm)

60 l d As Fibras Curtas não Substituem as Armaduras 40 V4 f cm MPa? (%) V 1 75,0 0,0 30 V 2 84,3 0,159 V3 V 3 78,1 0,238 Carga (kn) 20 V2 V 4 73,8 0, V Deslocamento (mm)

61 Concreto com Fibras HíbridasH

62 Concreto Auto-Adens Adensável

63 Concreto auto-adens adensável

64 Concreto auto-adens adensável

65 Concreto de Altíssima Resistência

66 Concreto de Altíssima Resistência

67 Concreto de Altíssima Resistência

68 Concreto Reciclado, e outros

69 Concreto Reciclado

70 Tratamento dos Agregados Recicláveis

71 Concreto com Ar Incorporado

72 Concreto Projetado