UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA COLEGIADO DE ENGENHARIA CIVIL DANILO MARTINS MELO ANÁLISE DA RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO AXIAL E MASSA ESPECÍFICA DO CONCRETO CONFECCIONADO COM ARGILA EXPANDIDA COM SUBSTITUIÇÃO PARCIAL DO AGREGADO MIÚDO LEVE POR AREIA MÉDIA Feira de Santana-BA 2010

2 DANILO MARTINS MELO ANÁLISE DA RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO AXIAL E MASSA ESPECÍFICA DO CONCRETO CONFECCIONADO COM ARGILA EXPANDIDA COM SUBSTITUIÇÃO PARCIAL DO AGREGADO MIÚDO LEVE POR AREIA MÉDIA Esta monografia é a avaliação do trabalho de conclusão de curso realizado pela disciplina Projeto Final II do curso de Engenharia Civil da Universidade Estadual de Feira de Santana. Orientador: Prof. M. Sc. Élvio Antonino Guimarães Feira de Santana-BA 2010

3 DANILO MARTINS MELO ANÁLISE DA RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO AXIAL E MASSA ESPECÍFICA DO CONCRETO CONFECCIONADO COM ARGILA EXPANDIDA COM SUBSTITUIÇÃO PARCIAL DO AGREGADO MIÚDO LEVE POR AREIA MÉDIA Esta monografia é a avaliação do trabalho de conclusão de curso realizado pela disciplina Projeto Final II do curso de Engenharia Civil da Universidade Estadual de Feira de Santana Feira de Santana, 25 dezembro de Professor Élvio Antonino Guimarães Mestre Universidade Estadual de Feira de Santana Professor Antonio Freitas da Silva Filho Mestre Universidade Estadual de Feira de Santana Professor Helio Guimarães Aragão Mestre Universidade Federal do Recôncavo da Bahia

4 AGRADECIMENTOS A minha família, em especial meus pais José Flori Santana Melo e Rosimeire Nogueira Martins Melo, assim como minha irmã Daniela e à minha namorada Lorena, pelo apoio incondicional; Aos meus amigos e colegas, em especial: Alisson, Thiago, Márcio e Sandro por contribuir direta ou indiretamente na realização deste trabalho; Ao Professor Élvio pelas orientações e conhecimento transmitido; A toda equipe do Labotec pela ajuda e auxílio na realização do programa experimental. Aos colaboradores VEDACIT e CINEXPAN.

5 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO JUSTIFICATIVA OBJETIVOS Objetivo geral Objetivos específicos METODOLOGIA ESTRUTURA DA MONOGRAFIA REVISÃO BIBLIOGRÁFICA CONCRETO ESTRUTURAL DE CIMENTO PORTLAND PROPRIEDADES DO CONCRETO ESTRUTURAL Exsudação e segregação Trabalhabilidade Resistência mecânica Efeitos dos agregados no concreto estrutural PRODUÇÃO DO CONCRETO Dosagem CONCRETO LEVE DE CIMENTO PORTLAND Breve histórico do concreto leve Classificação dos concretos leves PROPRIEDADES DO CONCRETO LEVE ESTRUTURAL. Error! Bookmark not defined Trabalhabilidade Massa específica Segregação e exsudação Resistência mecânica DOSAGEM DE CONCRETO ESTRUTURAL LEVE Mistura Transporte, lançamento e adensamento Cura AGREGADOS PARA CONCRETO LEVE... 37

6 2.7.1 Argila expandida CIMENTO PORTLAND Tipos de cimento Portland ADITIVOS PROGRAMA EXPERIMENTAL CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS Cimento Agregados Areia média Agregado miúdo leve Agregado graúdo leve Incorporador de ar MÉTODOS Determinação dos traços Cálculo da quantidade de aditivo Produção do concreto Pesagem dos materiais Mistura dos materiais Ensaio de abatimento de tronco de cone Lançamento, adensamento e cura do concreto Ensaio de compressão axial Ensaio de determinação de massa específica ANÁLISE DE RESULTADOS Resistência Mecânica Massa específica Massa específica estado endurecido Massa específica no estado fresco CONSIDERAÇÕES FINAIS CONCLUSÕES SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS... 79

7 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Intervalos típicos de valores de massa específica Figura 2 Argila expandida Figura 3 Argila expandida Figura 4 Argila expandida Figura 5 Curva granulométrica areia média e as zonas utilizavéis Figura 6 Curva granulométrica agregado míudo leve e as zonas utilizavéis Figura 7 Curva granulométrica agregado graúdo Figura 8 Distribuição granulométrica agregado graúdo leve e as zonas utilizavéis Figura 9 Realização do ensaio de abatimento pelo tronco de cone Figura 10 Execução do capeamento Figura 11 Ensaio de compressão axial Figura 12 Resistência aos 28 dias x Teor de cimento Figura 13 Adensamento com vibrador de imersão Figura 14 Perfil corpo de prova após ensaio de compressão axial Figura 15 Resultado do ensaio de abatimento pelo tronco de cone Figura 16 Massa específica do concreto no estado fresco Figura 17 Massa específica do concreto no estado endurecido... 83

8 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Dados de referência da massa específica dos concretos leves Tabela 2 Resistência à compressão em função da massa específicaerror! Bookmark not defined.4 Tabela 3 Equivalência e Densidade Aparente da Argila Expandida Tabela 4 Composição dos cimentos Portland Tabela 5 Características do Cimento CP-II Z Tabela 6 Caracterização física da areia média Tabela 7 Caracterização física do agregado miúdo Tabela 8 Caracterização físicado agregado graúdo Tabela 9 Caracterização física do agregado graúdo Tabela 10 Determinação da composição entre agregado graúdo 1506 e Tabela 11 Caracterização física do agregado graúdo misturado Tabela 12 Características do Incorporador de ar Tabela 13 Caracterização dos traços Tabela 14 Composição dos traços T1 à T Tabela 15 Resultado do Ensaio de abatimento pelo tronco de cone Tabela 16 Resistência à compressão aos 28 dias Traço Tabela 17 Resistência à compressão aos 28 dias Traço Tabela 18 Resistência à compressão aos 28 dias Traço Tabela 19 Resistência à compressão aos 28 dias Traço Tabela 20 Resistência à compressão aos 28 dias Traço Tabela 21 Resistência à compressão aos 28 dias Traço Tabela 22 Resistência à compressão aos 28 dias Traço Tabela 23 Resistência à compressão aos 28 dias Traço Tabela 24 Resistência à compressão aos 28 dias Traço Tabela 25 Resistência dos traços aos 28 dias Tabela 26 Massa específica do concreto endurecido Traço Tabela 27 Massa específica do concreto endurecido Traço Tabela 28 Massa específica do concreto endurecido Traço Tabela 29 Massa específica do concreto endurecido Traço

9 Tabela 30 Massa específica do concreto endurecido Traço Tabela 31 Massa específica do concreto endurecido Traço Tabela 32 Massa específica do concreto endurecido Traço Tabela 33 Massa específica do concreto endurecido Traço Tabela 34 Massa específica do concreto endurecido Traço Tabela 35 Massa específica do concreto fresco Tabela 36 Massa específica do concreto fresco x teor de cimento x agregados miúdos Tabela 37 Massa específica do concreto endurecido x teor de cimento x agregados miúdos. 82

10 LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS a/c Relação água/cimento ABCP Associação Brasileira de Cimento Portland ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas CLE Concreto leve estrutural Cv Coeficiente de variação CP Corpo de prova Σ Desvio padrão Dmáx Dimensão máxima do agregado Fck Resistência à compressão aos 28 dias m sub m SSS m Sec Massa do concreto determinado pela balança hidrostática Massa do concreto saturado superfície seca Massa do concreto seco ao ar µ Média aritmética NBR Norma Brasileira NM Norma Mercosul UEFS Universidade Estadual de Feira de Santana

11 RESUMO Uma das principais formas de se obter concreto leve estrutural é substituindo totalmente ou parcialmente os agregados normais por agregados leves. Este trabalho focou o estudo em concretos estruturais leves confeccionados com argila expandida substituindo parte do agregado miúdo leve por areia média, verificando as mudanças quanto a resistência à compressão axial e massa específica. Os traços foram moldados substituindo o agregado miúdo leve em proporções de 25, 50 e 75% por areia e os resultados foram comparados com um traço contendo apenas agregados miúdos leves. A adição de areia no traço de concreto leve estrutural remete a um aumento da massa específica assim como um ganho na resistência, além de demonstrar as diversas possibilidades na confecção do concreto, que podem ser especificamente empregadas em situações diversas. Foram realizados ensaios de resistência à compressão aos 28 dias de idade e verificada a massa específica de cada traço. Os resultados de resistência à compressão variaram entre 13,0 e 22,0 MPa e massa específica entre 1300,0 e 1500,0 kg/m³. Palavras-chave: concreto leve, dosagem, argila expandida.

12 ABSTRACT One of the main ways to obtain structural lightweight concrete is fully or partially replacing the normal aggregate by lightweight aggregate. This study focused on the study of structural lightweight concrete by replacing part of fine lightweight aggregate by sand, checking for changes as the compressive strength and specific gravity mass. The admixture have been shaped by replacing the lightweight fine aggregate in proportions of 25, 50 and 75% for sand and the results were compared with a line containing only light aggregates. The addition of sand in lightweight structural concrete admixture refers to an increase in specific gravity mass as well as a gain in strength and also to demonstrate the various possibilities in the manufacture of concrete, which can be specifically used in different situations. Assays were performed with a compressive strength at 28 days old and checked the specific gravity mass of each trait. The results of compressive strength ranged between 13.0 and 22.0 MPa and specific gravity mass between and kg / m³ Keywords: lightweight concrete, mix, expanded clay.

13 12 1 INTRODUÇÃO Os avanços na tecnologia do concreto tem refletido a necessidade de adaptação dos materiais de construção às exigências contemporâneas. A busca por maior segurança, conforto e economia tem contribuído para o desenvolvimento de concretos especiais que visam superar as deficiências do concreto normal, feito com cimento Portland e agregado natural convencional. O concreto convencional constitui um problema econômico na construção de edifícios altos, pontes com grandes vãos e estruturas flutuantes se comparado ao aço, devido à relação resistência - peso. Esta relação pode ser alterada diminuindo a massa específica do material ou aumentando sua resistência. A primeira solução tem sido aplicada com sucesso, nos últimos 70 anos (MEHTA, 2008). Dentre os concretos especiais, assim chamados por apresentarem peculiaridades em relação aos concretos normais, o concreto leve destaca-se por sua reduzida massa específica e por suas características como isolante térmico. Estas propriedades estão diretamente relacionadas ao volume de vazios existentes no concreto, sendo, portanto, a presença do ar em sua composição o fator determinante para a obtenção de concretos leves. A indústria da construção civil tem se caracterizado por um acelerado desenvolvimento e crescente evolução das técnicas construtivas e do uso de novos materiais e produtos (COUTINHO, 2006; PETRUCCI, 2005). Com a crescente demanda de agregados leves e a falta de disponibilidades de recursos naturais, foram desenvolvidas técnicas para produzi-los em fábrica. Estes são obtidos através de matérias-primas naturais como argila, xisto, ardósia, etc., bem como de subprodutos industriais, tais como cinzas volantes e escória de alto forno. Os concretos leves obtidos com outras técnicas que não a substituição parcial ou total dos agregados graúdos tradicionais por agregados leves, apresentam baixas massas específicas, raramente excedendo 800 kg/m³ (NEVILLE, 1997) e, igualmente, baixas resistências mecânicas. Por essa razão, são utilizados principalmente para isolamento térmico ou para enchimento. Os concretos leves estruturais (CLE) são obtidos com a substituição total ou

14 13 parcial dos agregados tradicionais por agregados leves e, usualmente, são caracterizados pelo valor da massa específica (ROSSIGNOLO, 2006). Existe uma grande variedade de agregados leves com massa específica variando, conforme sua porosidade, entre 80 e 900 kg/m³ (MORAVIA, 2006). Os agregados muito porosos apresentam as massas específicas mais baixas e são utilizados para a produção de concretos isolantes não estruturais. Os agregados menos porosos, com massas unitárias maiores, são capazes de produzir concretos com fins estruturais. O folhelo, a escória, a ardósia e a argila quando expandidos, enquadram-se nesta última categoria. O agregado argila expandida, conforme o processo de fabricação, apresenta uma massa específica variável entre 300 kg/m³ a 900 kg/m³, além da resistência ao fogo e aos principais ambientes ácidos e alcalinos. Por essa razão já mereceu vários estudos e pesquisas no mundo todo como alternativa para substituir os agregados tradicionais, de modo a reduzir a massa específica com o mínimo comprometimento da resistência mecânica característica de um concreto estrutural. Este estudo analisa, particularmente, os efeitos causados pela substituição parcial dos agregados leves por areia graduada no traço de concreto leve estrutural, demonstrando graficamente a variação da resistência à compressão e massa específica em função da percentagem de areia utilizada e o teor de cimento. O uso da areia no traço de concreto leve no desenvolvimento experimental permitiu a obtenção de concretos leves com resistências à compressão entre 13 e 22 Mpa e massas específicas entre 1300,0 a 1500,0 Kg/m³, demonstrando que, dependendo do módulo de deformação, o material pode ser uma excelente alternativa para a produção de concretos leves estruturais.

15 JUSTIFICATIVA O estudo do concreto, assim como de seus componentes, através de métodos práticos permite um conhecimento mais aprofundado de suas propriedades características, subsidiando um melhor entendimento desde o processo de dosagem e produção até a aplicação final. Existem diversos materiais que podem ser adicionados ou substituir os componentes do traço de concreto convencional com intuito de modificar as características do mesmo. A utilização da argila expandida como agregado graúdo e miúdo visa diminuir a massa específica do concreto, possibilitando uma redução significativa do peso das estruturas. No entanto, a aplicação de agregados leves em substituição total à dos convencionais tende a atingir massa específica abaixo do referenciado pelas normas para ser classificado como concreto estrutural, além de diminuir a resistência do concreto, limitando sua atuação. A substituição de parte do agregado miúdo leve por areia remete a equilibrar estas duas características, obtendo um traço de concreto leve com uma resistência e massa específica maiores. A capacidade de confeccionar diferentes traços de concreto aumenta a possibilidade de melhor atender a projetos específicos, escolhendo aquele que traga melhor custo-benefício para determinado fim. A partir destas considerações, este trabalho além de estudar as mudanças provenientes da adição de areia no traço de concreto leve, tem o intuito de demonstrar a viabilidade do mesmo para fins estruturais. 1.2 OBJETIVOS Objetivo geral Avaliar os efeitos da adição de areia média em traços de concretos com agregados leves de argila expandida.

16 Objetivos específicos Avaliar a massa específica de traços de concreto leve confeccionados com argila expandida substituindo parcialmente o agregado miúdo leve por areia. Avaliar a resistência à compressão axial de traços de concreto leve confeccionados com argila expandida substituindo parcialmente o agregado miúdo leve por areia. 1.3 METODOLOGIA Para avaliar os efeitos da adição de areia no traço de concreto leve produzido com argila expandida foram realizadas as seguintes etapas: 1) A primeira parte integrante deste trabalho foi uma fundamentação teórica sobre os assuntos pertinentes ao tema da monografia. 2) Feito isto, foi realizada uma coleta e caracterização dos materiais que atendam aos objetivos da pesquisa. 3) Em seguida, fez-se um estudo de dosagem, a fim de obter as proporções (traço) ideais para o concreto estrutural leve. 4) A próxima etapa constou o processo de produção concreto estrutural leve, que é composto pela dosagem, moldagem, lançamento, adensamento e cura. 5) Após 28 dias, ocorreu o ensaio de resistência à compressão axial. Com os resultados obtidos no ensaio foram feitas análises e estas comparadas às de bibliografias existentes.

17 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA Esta monografia apresenta sua estrutura como uma consequência dos objetivos enunciados, sendo que o respectivo texto foi organizado em cinco capítulos. Nos parágrafos que se seguem é efetuada uma descrição sumária de cada um desses capítulos. O capítulo 1 contempla a introdução, o objetivo geral e os específicos, bem como a metodologia aplicada, a justificativa e a própria estruturação da monografia. O capítulo 2 consta todo o referencial teórico do concreto estrutural convencional e leve, caracterizando e enunciando suas vantagens e desvantagens nas mais diversas estruturas. Efetuou-se também uma breve descrição do histórico do concreto leve e dos diversos tipos de agregados leves empregado na fabricação do mesmo, destanco a argila expandida. abordou sobre o cimento Portland, resumindo suas principais características e os tipos encontrados no mercado. Por último, foi efetuada uma sucinta descrição sobre aditivos empregados na confecção de concretos, destacando os incorporadores de ar. O capítulo 3 fez-se uma dosagem experimental dos materiais e, posteriormente, apresentado o método de dosagem, os materiais utilizados na produção e o procedimento adotado para dosagem e moldagem dos corpos de prova. O capítulo 4 consta as análises dos resultados provenientes da dosagem, massa específica e ensaios mecânicos executados. E por fim, o capítulo 5 onde foram feitas as considerações finais e sugestões para trabalhos futuros.

18 17 2 REFERENCIAL TEÓRICO 2.1 CONCRETO ESTRUTURAL DE CIMENTO PORTLAND O concreto de cimento Portland é o material manufaturado mais utilizado em decorrência das vantagens inerentes a sua produção e composição, tornando a expansão de suas aplicações imprescindível para atender as novas exigências de projetos que tendem a exigir cada vez mais o desempenho mecânico e a durabilidade. Sendo um material de construção resultante da mistura, em quantidades racionais, de aglomerante (cimento), agregados (pedra e areia) e água, logo após a mistura o concreto deve possuir plasticidade suficiente para as operações de manuseio, transporte e lançamento em formas, adquirindo coesão e resistência com o passar do tempo, devido às reações que se processam entre aglomerante e água. Em alguns casos são adicionados aditivos que modificam suas características físicas e químicas (FERNANDES, 1980). 2.2 PROPRIEDADES DO CONCRETO ESTUTURAL Exsudação e segregação A segregação pode ser definida como a separação dos constituintes de uma mistura heterogênea de modo que sua distribuição deixe de ser uniforme. Especificamente no caso do concreto, as diferenças de tamanho das partículas e de massas específicas dos constituintes da mistura são as principais causas da segregação, as quais podem ser controladas com uma granulometria adequada e cuidados no manuseio (NEVILLE, 1997; MEHTA, 2008). Neville (1997) diz que, existem duas formas de segregação. Na primeira, as partículas maiores de agregados tendem a se separar, isso ocorre porque estas tendem a se deslocar ao longo de declives ou a sedimentar mais do que as menores partículas. A segunda forma de

19 18 segregação, que ocorre particularmente em misturas com grande quantidade de água, se verifica pela separação da matriz de cimento da mistura. O risco pode ser minimizado se o concreto não tiver que ser transportado a grandes distâncias e evitado o lançamento a partir de grandes alturas. O uso de ar incorporado reduz o risco de segregação. Ainda segundo Neville (1997), exsudação também é conhecida como separação da água, é uma forma de segregação em que parte da água da mistura tende a ascender à superfície de um concreto recém - lançado. Esse efeito se deve ao fato de que os constituintes sólidos da mistura serem incapazes de reter água quando tendem a descer, pois, a água apresenta a menor massa especifica da mistura. Inicialmente evolui a uma velocidade constante e prossegue ate que a pasta de cimento esteja suficientemente rija. A exsudação é motivada pela maior ou menos impossibilidade que apresentam os materiais constituintes de manter a água de mistura dispersa na massa. A consequência deste aspecto é que a parte superior do concreto torna-se excessivamente úmida, tendendo a produzir um concreto poroso e menos resistente (PETRUCCI, 2005). As limitações adquiridas pelo concreto fresco devido à perda de trabalhabilidade antes ou durante o lançamento nas fôrmas, segregação e exsudação durante o adensamento, e uma baixa taxa de crescimento de resistência, podem prejudicar um concreto permanentemente, reduzindo a sua vida útil Trabalhabilidade A trabalhabilidade é definida como o a propriedade que determina o esforço necessário para manipular uma quantidade de concreto fresco, como perda mínima de homogeneidade (PETRUCCI, 2005). A resistência de um concreto com determinadas proporções é bastante influenciada pelo nível de adensamento (trabalhabilidade), sendo assim, é importante que a consistência da mistura do concreto seja tal que possa ser transportado, lançado, adensado, e acabado com facilidade e sem segregar (NEVILLE, 1997).

20 19 Segundo Metha e Monteiro (2008), a trabalhabilidade é uma propriedade composta, tendo como principais componentes a consistência (fluidez) e a coesão (estabilidade). A consistência é definida como a tendência de mobilidade ou fluidez do concreto fresco, sendo medida universalmente pelo ensaio de abatimento do tronco de cone e esta é influenciada, principalmente pela quantidade de água na mistura. A coesão pode ser definida como uma medida qualitativa das características da estabilidade, ou seja, segregação e exsudação. Segundo Araújo (2000) é possível afirmar que um concreto adequado para peças de grandes dimensões e pouco armado pode não ser para peças esbeltas e muito armadas, ou que um concreto que fornece um perfeito adensamento com vibração, sem segregação dos componentes e sem vazios, dificilmente proporcionará uma moldagem satisfatória com adensamento manual. Os fatores que influenciam a trabalhabilidade são a forma e a granulometria do agregado, utilização de aditivo e a quantidade de água na mistura. O consumo de água é o principal desses, pois as misturas muito fluidas de concreto com elevada consistência tendem a segregar e exsudar, desfavorecendo o acabamento. O inverso ocorre com as misturas mais secas, pois se tornam mais difíceis de lançar e de adensar, o que pode gerar uma segregação do agregado graúdo ainda no lançamento (BAUER, 1995; NEVILLE, 1997) Resistência mecânica As características que o concreto endurecido deve apresentar são: resistência, durabilidade e impermeabilidade. Estas características são diretamente influenciadas pela relação água/cimento. Para efeito desta pesquisa, somente a resistência terá relevância no estudo. A massa específica do concreto normalmente utilizada é a massa da unidade de volume, e varia entre 2300 a 2500 Kg/m³ (PETRUCCI, 2005). Quando falamos em resistência mecânica do concreto, três tipos podem ser considerados no estudo das propriedades do concreto em função das solicitações impostas na prática. São elas: compressão axial, tração e tração na flexão. O concreto é bastante resistente aos esforços de compressão axial, porém o mesmo

21 20 não ocorre quanto à tração, que fica em torno de 10% do valor obtido quando comprimido (BAUER, 1995; ARAÚJO, 2000). Quando se trata de resistência à compressão axial, a resistência da pasta é o principal limitador. Por outro lado, é conhecida a influência da porosidade da pasta sobre a resistência do concreto. Como porosidade depende da relação água/cimento, assim como do tipo de cimento, pode-se afirmar que para um mesmo tipo de cimento a resistência da pasta depende especificamente da relação água/cimento, sendo este também um dos principais fatores determinantes da resistência da ligação pasta/agregado (BAUER, 1995). Para o caso do concreto convencional, a resistência do agregado deve ser igual ou superior à resistência do concreto que se deseja produzir. No que diz respeito à ligação pasta/agregado, esta depende, basicamente, da forma, da textura superficial e da natureza química dos agregados. Segundo Neville (1997), a forma e a textura, por exemplo, podem alterar consideravelmente a superfície específica dos agregados, contribuindo diretamente na ligação pasta/agregado. Partículas que tendem à forma cúbica apresentam maior superfície específica do que aquelas que se aproximam da forma arredondada. Da mesma maneira, quando a textura superficial é rugosa, a resistência mecânica do concreto aumenta significativamente, sobretudo nos esforços de tração na flexão. O mesmo efeito é obtido quando se reduz o Dmáx do agregado graúdo. Finalmente, outro fator da maior importância na resistência do concreto a esforços mecânicos é a cura - procedimento utilizado para melhorar a hidratação do cimento que consiste no controle da temperatura e no movimento da água de dentro para fora e de fora para dentro do concreto, visto que as condições de umidade e temperatura, principalmente nas primeiras idades, têm importância muito grande para as propriedades do concreto endurecido (ARAÚJO, 2000).

22 Efeitos do agregado no concreto convencional Os agregados naturais comumente usados para a produção de concreto normal são geralmente densos e resistentes. Estas características fazem com que estes agregados raramente sejam um fator limitante da resistência e propriedades elásticas do concreto endurecido (MEHTA, 2008). Estudos da influência do teor de agregados sobre a resistência do concreto com uma dada qualidade de pasta de cimento mostram que, quando o volume do agregado, como fração de volume total, aumenta de 0% a 20%, nota-se um decréscimo gradual da resistência à compressão, mas entre 40% e 80%, a resistência aumenta. Este comportamento não está bem esclarecido, mas observa-se a mesma tendência com vários valores de relação água/cimento (NEVILLE, 1997). Ainda segundo Neville (1997), um teor maior de agregado resulta numa menor retração e menos exsudação e, portanto, menor dano à aderência entre agregado e a pasta de cimento; assim, também, seriam menores as variações térmicas devidas ao calor de hidratação do cimento. Existem duas propriedades antagônicas em relação aos agregados graúdos que interferem nas propriedades do concreto. Agregados com formatos arredondados facilitam a trabalhabilidade e pioram a aderência, enquanto que os com formato angular pioram a trabalhabilidade e tornam bem melhor a ligação do agregado com a argamassa, conferindo uma resistência melhor (PETRUCCI, 2005) 2.3 PRODUÇÃO DO CONCRETO Uma vez conhecidas as propriedades que devem possuir o concreto em suas duas fases (fresco e endurecido), pode-se detalhar o processo de produção do concreto.

23 22 A produção do concreto consiste em uma série de operações de forma a se obter, a partir dos materiais componentes o concreto desejado. As operações necessárias à obtenção do concreto são: dosagem (obtenção do traço); mistura; transporte; lançamento; adensamento; cura Dosagem A dosagem é a seleção e mistura dos componentes do concreto, tendo como finalidade a obtenção de propriedades previamente estabelecidas. Consiste em definir o traço, ou seja, a proporção de cada componente do concreto (cimento, água, agregado miúdo, agregado graúdo e aditivo) visando obter características de trabalhabilidade adequada, enquanto fresco, e de resistência e durabilidade quando endurecido (ARAÚJO, 2000). A dosagem racional do concreto consiste na aplicação de um conjunto de regras práticas, nas quais objetiva-se a obtenção de um produto com qualidade e proporção mais adequada e econômica, com que cada material entra na composição da mistura, a fim de atingir as propriedades previamente estabelecidas para o concreto no estado fresco e endurecido (PETRUCCI, 2005). Dosar é, portanto, obter um traço que atenda às condições específicas de um projeto, utilizando corretamente os materiais disponíveis. O traço é medido em massa. Para obtenção do traço podem ser utilizados diversos métodos, porém os mais usuais são o método de dosagem ABCP (Associação Brasileira de Cimento Portland) que é uma adaptação do método ACI para agregados brasileiros, o qual fornece uma primeira aproximação da quantidade de materiais, devendo-se realizar uma mistura experimental. Já o método de dosagem de concretos de cimento Portland recomendado pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo IPT se baseia na determinação de um traço prévio, obtido através de informações provenientes de experiências anteriores, a partir do qual se faz um ajuste experimental das propriedades desejadas, em função dos materiais disponíveis para a sua confecção (HELENE, 1992).

24 23 Geralmente, os parâmetros balizadores para a dosagem são a trabalhabilidade e a resistência mecânica. A primeira é determinada pela relação água/materiais secos, já a segunda é definida, para os mesmo materiais, numa relação inversamente proporcional à relação a/c. 2.4 CONCRETO LEVE DE CIMENTO PORTLAND A aplicação de agregados leves na obtenção de concreto já é utilizado há muito tempo, e tem como objetivo atender a diversos requisitos, tais como redução da carga permanente, isolamento térmico, resistência ao fogo, etc. O concreto leve têm aspectos e qualidades variadas, muitas dessas características podem ser comparáveis à do concreto convencional. O concreto estrutural leve compreendem um campo de aplicação muito amplo, diversificados por métodos e materiais apropriados. A massa específica do concreto pode variar entre pouco mais do que 300,0 Kg/m³ até cerca de 1850,0 Kg/m³, tendo uma resistência variando entre 0,3 Mpa a 70,0 Mpa. Este amplo intervalo de composições se reflete em várias propriedades do concreto com agregado leve (NEVILLE, 1997). A Tabela 1 apresenta os valores limites de massa específica citados em alguns documentos normativos ou de referência para os concretos leves. Tabela 1 Dados de referência da massa específica dos concretos leves Referência Massa específica (kg/m3) RILEM (1975) γ < 2000 CEB-FIP (1977) γ < 2000 NS 3473 E (1992) 1200 < γ < 2200 ACI 213R-87 (1997) 1400 < γ < 1850 CEN pren (1999) 800 γ 2000 FONTE: Neville, O ACI 213R-87 (1999) especifica, ainda, que o concreto leve, além de apresentar o valor da massa específica dentro dos limites apresentados na Tabela 1, deve apresentar resistência à compressão acima de 17,2 MPa.

25 24 Segundo a NM 35/95 da ABNT, os agregados leves, utilizados na produção dos concretos leves, não devem apresentar massa unitária no estado seco e solto acima de 1120 kg/m3, para agregados miúdos, e 880 kg/m3, para agregados graúdos. Este documento normativo apresenta ainda valores mínimos de resistência à compressão para os concretos em função da massa específica, conforme apresentado na Tabela 2. Tabela 2 Resistência à compressão em função da massa específica. Resistência à compressão Massa específica (kg/m3) aos 28 dias (MPa) (Valores máximos) (Valores mínimos) FONTE: Neville, 1997 O objetivo primordial do concreto feito com agregados leves é o baixo peso e não a resistência, tendo aproximadamente dois terços do peso específico do concreto convencional. O concreto pode conter somente agregado leve, ou, por diversas razões, uma combinação de agregados leves e normais. Do ponto de vista da trabalhabilidade e outras propriedades é comum utilizar a areia como agregado miúdo e limitar o tamanho nominal máximo do agregado graúdo leve a, no máximo, 19 mm (MEHTA, 2008). Em síntese, os principais benefícios promovidos pela redução da massa específica do concreto citados por diversos autores são: redução de esforços nas estruturas das edificações, redução do custo com aço nas estruturas, isolamento térmico melhor do que os concretos convencionais, economia com formas e cimbramento, redução das dimensões das fundações em virtude da menor seção transversal dos elementos, possibilidade de construção sobre solos com menor capacidade de suporte e diminuição dos custos com transporte e montagem de construções pré-fabricadas.

26 Histórico do concreto leve O início da utilização de concretos de cimento Portland com agregados leves, tal qual o conhecemos hoje, ocorreu durante a Primeira Guerra Mundial, quando a American Emergency Fleet Building Corporation construiu embarcações com concreto leve, utilizando xisto expandido, com resistência à compressão de 35 MPa e massa específica em torno de 1700 kg/m3, enquanto o valor usual de resistência à compressão dos concretos tradicionais, na época, era de 15 MPa (HOLM, BREMNER, 2000). A partir dos anos 70, com o rápido aprimoramento da tecnologia dos concretos e o desenvolvimento de novos materiais componentes, tornou-se mais fácil a obtenção de concretos com alta resistência mecânica e alta durabilidade. Esses desenvolvimentos também foram aplicados nos concretos leves, aumentando, ainda mais, o potencial de utilização desse material na construção civil. Alguns estudos recentes apresentam concretos leves com resistência à compressão superior a 100 MPa, com respectiva massa específica em torno de 1750 kg/m3 (ZHANG, GJORV, 1991). No Brasil, os estudos e a utilização dos concretos leves tiveram início em 1970, com a implantação de uma unidade de produção de agregados leves (argila expandida) pelo Grupo Rabello, a CINASITA S.A. (atualmente CINEXPAN S.A.), com a finalidade de fornecer agregados leves para a CINASA - Construção Industrializada Nacional - também do Grupo Rabello, para a produção de elementos pré-fabricados leves. Entretanto desde o início da produção de agregados leves no Brasil, o concreto leve nacional foi motivo de poucos estudos e encontra utilização modesta na construção civil (TEZUKA, 1973; SOBRAL, 1987; 1994; SANTOS, 1994) Classificação dos concretos leves Os concretos são classificados de acordo com as suas características como, por exemplo, resistência, massa específica e trabalhabilidade. No que diz respeito à massa específica,

27 26 podem ser pesado, normal ou leve, sendo esse último ainda classificado em concreto poroso, com agregado sem finos e com agregado leve (ROSSIGNOLO, 2003). O ar pode ser encontrado aprisionado no concreto de três maneiras: nas partículas de agregado, na pasta de cimento e entre as partículas do agregado graúdo, deixando-se de usar o agregado miúdo. A maioria dos autores utiliza o processo em que se é formado os vazios da estrutura para se classificar os concretos leves, sendo estes citados a seguir (NEVILLE, 1997): Concretos celulares: também conhecidos como aerados, com gás ou de espuma, resultante da ação de produtos que, acrescentados à pasta, reagem produzindo gases que formam bolhas. Embora aceita e bastante usual, esta denominação é questionada pela maioria dos autores, uma vez que o material resultante trata-se de uma argamassa e não, propriamente, de um concreto. Concretos sem finos: produzidos apenas com aglomerante e agregado graúdo, sua resistência está diretamente relacionada à resistência do agregado e ao consumo de cimento. O concreto sem finos pode ser usado para confecção de painéis divisórios em edifícios de concreto armado, na construção de estruturas de drenagem e também como sub-base de quadras de esportes. Concretos com agregados leves: produzidos através da substituição total ou parcial dos agregados tradicionais por agregados leves, são os únicos concretos leves que podem, dependendo do tipo de agregado, traço e dosagem, atingir resistências aceitáveis para fins estruturais. Por outro lado, conforme cita Neville (1997), é sensível uma classificação com base na massa específica, porque esta característica e a resistência estão inter-relacionadas. O autor cita que o ACI 213R-87 usa a massa específica para classificar o concreto de acordo com a aplicação. Esse critério de classificação parece ser mais consistente, tendo em vista que o uso de agregados leves não garante, necessariamente, um concreto com características estruturais. Dessa forma, os concretos leves seriam classificados em três categorias:

28 27 Concretos leves isolantes ou de baixa massa específica: apresentam uma massa específica entre 300 kg/m³ e 800 kg/m³ e coeficientes de condutividade térmica bastante baixos, sendo usados para fins não estruturais, principalmente para isolamento térmico. Os valores da resistência à compressão ficam em torno de 0,7 MPa a 7,0 MPa. Concretos leves com resistência moderada: com uma massa específica intermediária, variando entre 800 kg/m³ a 1350 kg/m³ e resistências mecânicas entre 7 MPa e 17 MPa, apresenta, também, características de isolamento térmico intermediários. Conforme Sobral (1987) são chamados de concretos para enchimento. Concretos leves estruturais (CLE): obtidos com o uso de agregados leves, estes concretos apresentam uma massa específica entre 800 kg/m³ e 2000 kg/m³ e, como o próprio nome indica, é usado para fins estruturais. Sobral (1977) define uma resistência à compressão de 17,5 MPa como mínima aceitável para esses concretos. A NBR 6118 (ANBT, 2004), no entanto, estabelece a resistência mecânica mínima de 20 MPa para concretos estruturais convencionais. 2.5 PROPRIEDADES DO CONCRETO LEVE ESTRUTURAL Trabalhabilidade O concreto feito com agregado leve possui essencialmente as mesmas propriedades que o concreto convencional, visto que os fatores que influem nos dois são similares. No entanto, devido à baixa densidade e à textura áspera do agregado poroso, o concreto leve requer esforço relativamente menor durante o lançamento, compactação e acabamento (MEHTA, 2008). A demanda de água é fortemente influenciada pelas características do agregado leve, que tendem a absorver certa quantidade durante o processo de mistura. O volume de água aplicado pode ser alterado com intuito de se obter determinada resistência sem que seja necessário uma variação correspondente no teor de cimento, o que torna desconhecido o valor real da relação água/cimento (NEVILLE, 1997).

29 28 A faixa de variação dos valores para o índice de consistência dos concretos leves, normalmente, mostra-se menor do que a utilizada para os concretos tradicionais. Os concretos leves com altos valores de índice de consistência apresentam grandes possibilidades de segregação dos agregados e, por outro lado, concretos leves com baixos valores de índice de consistência apresentam dificuldades no adensamento. O aumento da absorção reduz a massa específica e limita a avaliação do agregado leve, devendo ser levada em consideração quando se faz a dosagem do concreto. Todos os agregados, seja ele natural ou artificial, absorvem água em uma razão que diminui com o tempo. Desta maneira a absorção é importante de modo que, esteja o agregado insaturado ou parcialmente saturado, influência de maneira direta nas propriedades do concreto fresco como trabalhabilidade, além de afetar as propriedades do concreto endurecido como densidade e resistência ao fogo (NEWMAN, CHOO, 2003). Segundo Newman e Choo (2003), a absorção do agregado depende de alguns fatores principalmente o tamanho dos poros, a distribuição dos poros e sua estrutura (se possui ligação entre eles). Com relação às partículas de agregado leve, que possui uma grande quantidade de poros, a absorção de água é maior do que os agregados comuns. Nos agregados leves esses valores geralmente estão entre 5,0% e 15,0%, enquanto os agregados normais não ultrapassam 2,0%. Devido à baixa massa específica e a uma alta absorção de água do agregado, a trabalhabilidade merece uma atenção especial. A alta porosidade do agregado implica numa perda de abatimento devido à contínua absorção de água. Com isso deve-se limitar em 100 mm o abatimento máximo do concreto leve, a fim de evitar a sua segregação (METHA, MONTEIRO, 2008). A demanda de água do concreto leve é bastante influenciada pela textura superficial e pela forma das partículas. Uma consequência importante da grande variação da demanda de água dos concretos feitos com diferentes agregados leve é que, para se obter uma determinada resistência mecânica, não é necessária uma variação correspondente do teor de cimento, dessa maneira, se mantém a relação água/cimento, porém o valor real dessa relação é desconhecido (NEVILLE, 1997).

30 29 Segundo Neville (1997), para um mesmo abatimento, o concreto leve, possui uma melhor trabalhabilidade se comparado com os concretos convencionais. Porém, deve-se notar-se que um abatimento elevado pode causar segregação, com as partículas grandes de agregado flutuando na parte superior. Assim, a vibração prolongada pode resultar numa segregação muito maior do que em concretos convencionais. A fim de melhorar a trabalhabilidade do concreto leve é necessário limitar a Dmáx dos agregados leves graúdos em 19 mm. Outra hipótese é utilizar areia natural, em substituição do agregado leve miúdo, porém este procedimento acarreta num aumento da massa específica do concreto (MEHTA, MONTEIRO, 2008). Newman e Choo (2003) afirmam que a trabalhabilidade dos concretos leves é subestimada quando medida pelo método do abatimento do tronco de cone, isto porque os vazios incorporados à mistura melhoram a coesão do concreto Massa específica A massa específica do concreto leve depende da densidade dos agregados utilizados nas composições e das proporções da mistura. Também o teor de água inicial e final dos agregados influência na densidade do concreto, pois uma quantidade de água acima da saturação na mistura pode levar à formação de vazios no concreto, reduzindo a sua densidade (METHA, MONTEIRO, 2008). Rossignolo (2003) diz que o valor da massa específica dos concretos leves apresenta variação progressiva, desde sua condição inicial até um estado mais estável, que depende das condições de exposição. Com isso, é recomendado para estimativa de cargas a serem suportadas por fôrmas e escoramentos, por exemplo, utilizar o valor da massa específica de seu estado fresco e para estimativa de peso próprio deve ser considerado o valor da massa específica do concreto seco ao ar, ligeiramente maior que a do concreto seco em estufa. Segundo Neville (1997), tratando-se de concreto leve é necessário uma qualificação cuidadosa quanto à massa específica. A massa específica do concreto no estado fresco pode ser facilmente determinada como será demonstrado posteriormente. Porém, após secagem ao

31 30 ar em condições ambientes, o concreto perde umidade até uma situação de quase equilíbrio, então este apresenta uma massa específica do concreto seco ao ar. Caso este seja submetido à secagem a uma temperatura de 105 ºC irá apresentar a massa específica do concreto seco em estufa. Se comparados aos concretos convencionais, as diferenças entre essas três massas específicas são maiores e apresentam-se mais importante para o seu comportamento, no caso do concreto leve. A massa específica do concreto no estado fresco é inferior ao valor teórico da massa específica do concreto saturado, estando este valor entre 100 kg/m³ e 120 kg/m³. Devido à dificuldade em se determinar o equilíbrio no caso do concreto seco ao ar, geralmente recomenda-se adotar a massa específica do concreto no estado fresco. O valor do primeiro pode ser obtido subtraindo a massa de água perdida pela exposição ao ar, sendo este valor entre 100 kg/m³ e 200 kg/m³, para concreto somente com agregados leves, e 50,0 kg/m³ a 150,0 kg/m³ para concreto com agregado miúdo normal. A massa específica de equilíbrio, que interessa no cálculo da massa específica do concreto, possui cerca de 50 kg/m³ a mais do que se comparado com o concreto seco em estufa (NEVILLE, 1997) Segregação e exsudação Segundo MEHTA e MONTEIRO (2008), a vibração excessiva, os altos valores de índice de consistência e a baixa coesão são, normalmente, os fatores responsáveis pelo surgimento da segregação e da exsudação nos concretos leves, afetando, desfavoravelmente, a manipulação do material, podendo em alguns casos alterar o desempenho de algumas propriedades no estado endurecido. A segregação e a exsudação dos concretos leves podem ser evitados ou minimizados tomando-se alguns cuidados no processo de dosagem, como granulometria adequada dos agregados, substituição total ou parcial do agregado miúdo por areia natural e utilização de adições minerais.

32 Resistência mecânica Segundo Neville (1997), para uma mesma resistência mecânica, o teor de cimento em concretos leves é superior quando comparado ao concreto convencional. As partículas de agregado graúdo podem ser um fator limitador da resistência, porém não existe uma relação definida entre a resistência do agregado com a do concreto. Essa influência pode ser controlada limitando a dimensão máxima do agregado. A resistência à compressão e a massa específica são as propriedades mais utilizadas na caracterização dos concretos leves estruturais e estão diretamente relacionadas com o tipo e a granulometria do agregado leve utilizado. A granulometria dos agregados tem mais influência na massa específica e na resistência mecânica dos concretos leves do que nos concretos tradicionais, uma vez que o valor da massa específica dos agregados leves, como é o caso da argila expandida, é inversamente proporcional à sua dimensão. Rossignolo (2003) afirma que, a resistência à compressão e a massa específica são as propriedades mais utilizadas na caracterização dos concretos leves, estando diretamente relacionadas com o tipo e a granulometria do agregado leve utilizado. A granulometria tem mais influência na massa específica e na resistência mecânica nos concretos leves do que nos concretos convencionais, isso porque a massa específica, no caso das argilas expandidas, é inversamente proporcional à dimensão. Nos concretos leves, utiliza-se, mais eficientemente, a resistência mecânica potencial da matriz de cimento do que nos concretos tradicionais, em função da similaridade entre os valores dos módulos de deformação do agregado e da matriz e da excelente qualidade da zona de transição agregado-matriz. Com isso, os concretos leves, normalmente, não rompem devido à diferença entre as deformações dos agregados e da matriz de cimento, mas, sim, devido ao colapso da argamassa, que, normalmente, ocorre na região ao redor do agregado. No colapso dos concretos leves, a linha de fratura atravessa os agregados, como ocorre nos concretos de alta resistência com massa específica normal, diferentemente do que ocorre nos concretos tradicionais, em que a ruptura do material ocorre pelo colapso da argamassa e a separação entre as fases, resultando uma linha de fratura ao redor do agregado (ZHANG,GJORV, 1991).

33 32 Segundo Aiticin (2000), existe um limite máximo para o teor de cimento que pode ser utilizado para aumentar o valor da resistência à compressão do concreto leve. Quando se atinge esse limite, o agregado leve mostra-se como o material determinante na resistência à compressão do concreto e o aumento da resistência à compressão da pasta de cimento já não contribui para o aumento da resistência à compressão do concreto. Segundo Rossignolo (2003), na análise das propriedades dos concretos leves, tem-se de levar em consideração que os agregados possuem resistência mecânica relativamente baixa, sendo assim, a resistência mecânica da matriz de cimento possui grande importância na resistência do concreto. Os concretos leves apresentam estabilização dos valores finais de resistência à compressão, se comprado com os concretos convencionais. Geralmente, aos 7 dias, os concretos leves já alcançam mais de 80% da resistência à compressão aos 28 dias, e após esse período não há ganhos significativos de resistência. (ROSSIGNOLO, 2003). Segundo diversos estudos apresentados no relatório do Eurolightcom (1998), após os 28 dias de idade, os concretos leves apresentam baixa elevação dos valores de resistência à compressão, comparativamente aos concertos tradicionais. Esse efeito pode ser atribuído à baixa resistência mecânica dos agregados leves, principal limitante da resistência mecânica dos concreto leves. Metha e Monteiro (2008) afirmam que a resistência à compressão do concreto leve deve ser relacionada ao teor de cimento para um dado abatimento, e não para quantidade de água. Isso ocorre devido à dificuldade em se determinar o quanto de água é absorvido pelo agregado, não sendo possível estabelecer uma relação água/cimento precisa. O consumo de cimento dos concretos leves de alto desempenho varia entre 400 a 600 kg/m³. Segundo Aitcin (2000), valores acima disto pouco contribuem para o aumento da resistência à compressão do concreto, uma vez que a resistência da matriz seria maior que a do agregado leve. Logo, o consumo de cimento é limitado a uma quantidade que possibilite o aumento da resistência à compressão do concreto leve.

34 33 Segundo Newman & Choo (2003), assim como ocorre no concreto convencional, uma vasta gama de agregados produz uma gama correspondente de resistências. Ao comparar concreto leve com concreto convencional, é importante considerar os tipos de materiais constituintes em ambos os casos. Os fatores que afetam a resistência são: Resistência e rigidez das partículas agregadas: onde as partículas mais fracas exigem maior teor de cimento. A resistência do concreto depende do tipo de agregado, ligação partículamatriz e semelhança entre partículas. Relação água /cimento: este tem o mesmo efeito sobre a resistência como para o concreto convencional. No entanto, a redução da relação a/c devido à absorção de água pelos agregados leves é difícil de prever e, portanto, a determinação da relação a/c para as misturas não é possível uma vez que é difícil de medir e verificar. Com isso, a mistura requer maior teor de água total. Teor de cimento: para uma dada trabalhabilidade, a resistência mecânica é aumentada com o acréscimo no teor de cimento, dependendo do tipo de agregados utilizados. Embora o aumento da resistência para um aumento constante do teor de cimento dependa do tipo de agregado utilizado, para um agregado leve com acréscimo do teor de cimento de 10% superior dará um aumento da resistência mecânica de aproximadamente 5%. Idade de ruptura: relações de resistência x idade de ruptura são semelhantes aos de concreto convencional. Quanto à hidratação, para o concreto leve é melhor do que para o concreto convencional, isso ocorre devido à reserva de água disponível no total dos poros dos agregados leves que é denominado cura interna. Assim o concreto com agregado leve é mais tolerante a cura inadequado do que o concreto convencional. Densidade: a densidade do concreto é afetada principalmente pela densidade de partículas agregadas que está relacionado à porosidade das partículas e, portanto, força de partículas. Assim, os agregados de diferentes densidades irão resultar em diferentes resistências do concreto, bem como as densidades.