Efeito da Pozolana e Escória de Alto Forno no Problema Térmico

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1 Efeito da Pozolana e Escória de Alto Forno no Problema Térmico Effect of Pozzolan and Blast Furnace Slag in Thermal Stress Analysis Sergio Botassi dos Santos; João Luiz Calmon; Luiz Carlos Pinto da Silva Filho; Eduardo de Aquino Gambale. (1) Doutor, Instituto de Pós-Graduação - IPOG. (2) Professor Dr. Ing., Universidade Federal do Espírito Santo. (3) Professor PhD., Universidade Federal do Rio Grande do Sul. (4) Especialista de Furnas Centrais Elétricas S.A. sergio_botassi@yahoo.com.br Resumo As adições minerais são normalmente empregadas para redução do consumo de cimento em concreto massa, reduzindo assim as chances do aparecimento de fissuras térmicas. Sabe-se, entretanto, que as adições não interferem somente na resistência à compressão, normalmente tomada como referência na dosagem, mas em outras propriedades cruciais no problema térmico, como taxa de liberação de calor de hidratação, módulo de elasticidade, fluência, entre outros. Assim, a análise de viabilidade da melhor adição no combate ao problema térmico deve passar necessariamente por um estudo térmico mais minucioso, como foi apresentado neste trabalho. Foi avaliada neste estudo de caso uma parte massiva da superfície hidráulica da ogiva do vertedouro da Usina Hidrelétrica de Batalha, localizada no Rio São Marcos em Goiás. Para tanto, foram estudados o efeito de duas dosagens no problema térmico: uma contendo a adição de pozolana (argila calcinada) e a outra com escória de alto forno em teores condizentes com o tipo de adição. O enfoque principal na determinação dessas dosagens foi de avaliar especialmente a interferência dessas adições na fluência, mantendo o volume de pasta, consumo de água, cimento equivalente e resistência para atender o fck de projeto de 3MPa. Os resultados demonstraram que as adições estudadas interferiram significativamente nas tensões térmicas em função de um somatório de causas, destacando-se a elevação adiabática de temperatura e fluência. Palavra-Chave: Pozolana, Escória de Alto Forno, Problema Térmico, Fluência. Abstract The mineral admixtures are typically employed to reduce the amount of cement in concrete mass, thus reducing the chances of the appearance of thermalstress cracks. It is, however, that the additions do not interfere only in the compressive strength, usually taken as mix reference, but in other crucial properties of the thermal problem, as the rate of release of heat of hydration, elasticity modulus, creep, among other. Thus, the analysis to reduce thermal stress must necessarily go for a more detailed thermal study, as presented in this paper. Was evaluated in this case study a massive part of the spillway hydraulic surface in a Batalha Dam, in Brazil. Therefore, we studied the effect of thermal stress in two mixes: containing the addition of pozzolan (calcined clay) and other blast furnace slag mix. The main focus in the determination of these measurements was to evaluate the interference of these additions especially in creep, keeping the volume of paste, water, cement and strength (3MPa). The results showed that the mineral admixtures studied interfered significantly in thermal stresses due to a many of causes, especially adiabatic temperature rise and creep. Keywords: Pozzolan, Blast Furnace Slag, Thermal Stress Analysis, Creep. ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC212 54CBC 1

2 1 Introdução O problema térmico em concreto massa é normalmente combatido, a fim de evitar o aparecimento prematuro de fissuras, por meio de um estudo térmico onde avaliam-se possíveis soluções de ordem executiva (camadas de concretagem, temperatura de lançamento, pré e pós refrigeração, etc.) e ainda readequação da dosagem de concreto a ser utilizada. No que se refere a mudanças na dosagem, o que se prioriza em boa parte dos casos é a redução do consumo de material aglomerante, utilizando a substituição parcial do cimento por adições minerais ou aumento da eficiência da dosagem com a redução da relação água/cimento para alcançar a resistência à compressão pretendida em um traço. Por outro lado, quando se delimita o poder de decisão na escolha do traço de concreto, a partir das premissas anteriores, esquece-se de que os produtos utilizados, como as adições minerais, interferem nas propriedades que estão associadas ao problema térmico. As adições são responsáveis por significativas alterações na microestrutura do concreto em formação, desde o início da pega até idades avançadas, logo estima-se grande interferência no problema térmico, como será verificado neste estudo. As análises foram baseadas nos dados cedidos por Furnas Centrais Elétricas sobre os Estudos Térmicos da Usina Hidrelétrica de Batalha de agosto de 211 e ainda nos projetos enviados pelo engenheiro Flávio de Lima Vieira, para que assim o estudo de caso pudesse estar o mais próximo de uma situação real de aplicação. 2 Objetivo Pretende-se avaliar os efeitos das adições minerais de pozolana comum e escória de alto forno no comportamento térmico ao longo do tempo, incorporadas a uma dosagem definida para aplicação em superfície hidráulica de ogiva do vertedouro de uma usina hidrelétrica. A estratégia do estudo de dosagem estabelecido para estas análises foi de manter inalterado os consumos de água e cimento, volume de pasta e ainda de alcançar o fck de projeto (3MPa) tomando como referência os estudos apresentados na tese de Botassi (211). 3 Programa Utilizado O programa computacional utilizado nas simulações, ainda no formato de protótipo, mas já empregado em várias pesquisas e casos práticos, foi o desenvolvido a partir das dissertações de Silva (22) e Botassi (24), cuja denominação é resumida pela sigla PFEM-2DAT 1. Ele permite simular concretagens de grandes estruturas em camadas, 1 Program Finite Element Method 2 Dimensional Análise Termomecânica Bidimensional. Maiores detalhes sobre esse programa pode ser obtido na dissertação de Botassi (24). ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC212 54CBC 2

3 analisando o comportamento do campo de temperatura ao longo do tempo, como também de deformação e tensão, considerando a viscoelasticidade do concreto para que ao final possa-se verificar o risco do aparecimento de fissuras de origem térmica, como pretendido neste trabalho. O programa PFEM-2DAT realiza ainda pré e pós-processamento em um único módulo e independente de outros softwares. A resolução do problema térmico e tensional se dá por meio do Método dos Elementos Finitos, com elementos triangulares de três nós. A análise térmica é desacoplada do modelo tensional e não é considerada a termo-ativação do aglomerante proveniente de seu próprio calor, gerado durante a hidratação dos compostos cimentícios. 4 Escolha das Dosagens As dosagens foram selecionadas a partir do programa experimental da tese de Botassi (211). A premissa para escolha das mesmas foi de se obter um traço com fck compatível com a estrutura a ser simulada e com pequena alteração na proporção básica dos materiais, como pode ser observado na Tabela 1. Ambas as dosagens escolhidas continham aditivo superplastificante para garantir uma mínima trabalhabilidade no lançamento do concreto, além de potencializar o efeito na fluência, acreditando-se também que irá intervir mais significativamente no problema térmico. Mesmo com a inserção das adições minerais procurou-se manter o volume de pasta inalterado, utilizando o princípio da substituição através do cimento equivalente, que neste caso foi de 492kg/m 3. Houve a correção da quantidade de água dos aditivos no traço. As adições escolhidas para avaliar o efeito no problema térmico apresentaram grande distinção de resultados de fluência, conforme observado na tese de Botassi (211) e será apresentado a seguir neste trabalho. Tabela 1 - Dosagens utilizadas nas simulações para 1 m 3 de concreto. Características Dosagens com Superplastificante (SPl) e com Pozolana () com Escória AF () fck aos 28 dias (MPa) 3 3 fcj obtido aos 28 dias (MPa) 36,8 37,6 ento (kg) Pozolana (3% subst. em volume) 128 Escória AF (5% subst. em volume) 24 Água Unitária (kg) Relação a/ceq,468,468 Areia Artificial (kg) Brita 32 mm (kg) Superplastificante Sikament 251 (kg) 4,92 4,92 Abatimento (mm) Ar aprisionado (%) 1,,6 ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC212 54CBC 3

4 O tipo de cimento utilizado foi o CPII-F em função da menor presença de adições misturadas ao clinquer e a origem litológica dos agregados foi o quartzo-micaxisto, obtido da região centro-oeste brasileira. Para facilitar nos parágrafos a seguir as dosagens serão referenciadas somente pelo produto que as distingue: () para a dosagem com pozolana e () para a dosagem com escória de alto forno (cimentícia). 5 Caracterização das Propriedades A caracterização completa encontra-se disponível na tese de Botassi (211). A elevação adiabática das dosagens apresentou comportamento diferenciado decorrente do retardo na hidratação para a dosagem com adição de escória em conjunto com superplastificante e posterior aumento, ultrapassando o pico de temperatura obtido na dosagem com pozolana, como observado na Figura 1. Em termos de segurança do problema térmico esse comportamento da dosagem com adição cimentícia pode ter dupla e antagônica contribuição: a favor da segurança devido à postergação do pico de temperatura que contribui para que as tensões de compressão sejam maiores em idades do concreto mais resistentes à tração; contra a segurança em função do maior pico de temperatura, pois haverá maiores níveis de tensão de tração pós-pico. As demais propriedades térmicas, apesar de apresentar diferença estatística, confirmada na tese de Botassi (211), não devem ser preponderantes neste estudo de caso. Elas encontram-se resumidas na Tabela 2. 6 Elevação Adiabática 5 Temperatura ( C) SPl + SPl Horas Figura 1 - Elevação adiabática de temperatura das dosagens. ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC212 54CBC 4

5 Tabela 2 - Propriedades térmicas das dosagens. Dosagens Propriedades Com Plastificante (Pl) Com Superplastificante (Pl) Condutiv. Térmica (J/s.m.ºC) 2,33 2,4 Densidade (kg/m 3 ) Calor Esp. J/(kg. C ) Coef. Exp. Térmica (1-6 / C) 8,96 9,14 Já as propriedades mecânicas e viscoelásticas necessárias para o cálculo térmico encontram-se ilustradas nas Figuras 2 a 4. Percebe-se que a dosagem com escória apresentou maiores valores de módulo de elasticidade (alcançando diferença máxima de 14%) e menores resultados de resistência à tração na flexão (alcançando diferença média de 15%), estando em termos gerais contra a segurança no combate ao aparecimento de fissuras de origem térmica. Já para a fluência, a dosagem com adição cimentícia demonstrou grande superioridade de resultados, variando de 188% a 198% maior que a dosagem com pozolana para distintas idades de início de carregamento. Logo, acreditase que os efeitos diferenciais ocorridos nas tensões de origem térmica tenham grande contribuição das adições sobre a fluência do concreto E (GPa) (Ajustado) (Ajustado) Tempo (dia) Figura 2 - Variação do módulo de elasticidade com a idade do concreto. ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC212 54CBC 5

6 fc,tf (MPa) (Ajustado) (Ajustado) Tempo (dia) Figura 3 - Variação da resistência à tração na flexão com a idade do concreto (Ajustado) (Ajustado) Fk (1-6 /MPa) Início de Carregamento (dia) Figura 4 - Variação da fluência com a idade de início de carregamento. ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC212 54CBC 6

7 6 Estrutura Analisada A estrutura de concreto escolhida para as simulações é compatível com as dosagens do programa experimental obtidas na tese de Botassi (211). Foi analisada a parte superior da ogiva de um dos vertedouros da UHE Batalha, cuja classe de dosagem F exigia fck de 3MPa aos 28 dias (Figura 5 Região hachurada superior da ogiva). Para a execução da concretagem foi simulada a concretagem sem camadas. A espessura desta estrutura, no ponto mais alto, é de 2,2m por 1,m de extensão. Para fins de simulação, foi considerada que a estrutura de concreto classe C sobre a qual será lançado o concreto classe F objeto da simulação, já adquiriu a sua plenitude em hidratação e conseqüentemente já se apresente inerte quanto as suas propriedades ao longo do tempo. Figura 5 - Seção transversal da ogiva do vertedouro com destaque para a região hachurada que será estudada. 7 Condições Gerais para as Simulações A partir da região hachurada da Figura 5 foi gerada automaticamente a malha de elementos finitos pelo software PFEM-2DAT (Figura 6). A malha é composta por 44 elementos finitos triangulares com 3 nós cada, totalizando 259 nós capazes de retornar o campo de temperaturas com o tempo. O tempo total de análise foi de 75 dias com incrementos a cada 6 horas, totalizando a análise de 3 cenários transientes. As condições térmicas do entorno foram baseadas no relatório técnico de Furnas mencionado neste trabalho, exceto a convecção térmica estipulada conforme experiência do autor (Tabela 3). Os nós extremos da esquerda e inferiores da malha foram considerados com o deslocamento impedido na direção ortogonal a essas faces para fins de entrada na simulação tensional. ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC212 54CBC 7

8 Figura 6 - Malha de elementos finitos da região da ogiva estudada. Tabela 3 - Condições térmicas do entorno da estrutura analisada. Temperatura de Lançamento ( C) 32 C Temperatura Média Ambiente ( C) 28 C Coef. de Convecção Térmica (W/m 2.C ) 5 Temperatura da Estrutura da Ogiva ( C) 28 C Algumas propriedades térmicas e mecânicas da estrutura em que a viga está em contato foram obtidas por meio do concreto classe C apresentado no relatório técnico de Furnas e outras adotadas pelo autor, supondo o concreto com a hidratação já estabilizada, sem variar com a idade de análise (Tabela 4). Tabela 4 - Propriedades da ogiva. Propriedades Descrição Valor Física Densidade (kg/m 3 ) 24 Módulo de Elasticidade (GPa) 4, Mecânicas Coef. de Poisson,2 Coef. De Dilatação (1-6 / C) 9,1 Térmicas Condutiv. Térmica (J/s.m.ºC) 2,6 Calor Esp. (J/kg. C ) Resultados Foram definidas 2 regiões para apresentação dos resultados de análise térmica e tensional: próxima ao centro do maciço de concreto (núcleo) e outra próxima à superfície superior (3cm). Nos gráficos das Figuras 7 e 8 estão apresentadas a evolução das temperaturas com o tempo pós-concretagem para as regiões analisadas. ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC212 54CBC 8

9 Temperatura ( C) Idade (horas) Figura 7 - Evolução da temperatura na região central. Temperatura ( C) Idade (horas) Figura 8 - Evolução da temperatura próxima à superfície superior. Como já era esperado o pico de temperatura do concreto com escória além de ser maior (máximo de 74,2 C na região central) ocorreu 3 dias após a sua concretagem, enquanto que o concreto com pozolana (máximo de 71,2 C na re gião central) ocorreu na idade de 2 dias. Esse comportamento já era esperado em função das elevações adiabáticas das ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC212 54CBC 9

10 dosagens apresentadas na Figura 1. As Figuras 9 e 1 ilustram as isotermas geradas pelo programa PFEM2D_AT em dois instantes distintos pós-concretagem de ambas as dosagens. (a) Figura 9 - Isotermas da dosagem com pozolana: 6 (a) e 48 (b) horas após a concretagem. (b) (a) Figura 1 - Isotermas da dosagem com escória: 6 (a) e 48 (b) horas após a concretagem. (b) Estão apresentados nos gráficos das Figuras 11 e 12 os resultados de tensão normal principal de origem térmica variando com o tempo pós-concretagem no núcleo e na região ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC212 54CBC 1

11 próxima à superfície, respectivamente, para as dosagens analisadas. Adotou-se a tensão de compressão como positiva e a de tração como negativa. 6 Tensão normal principal (MPa) Idade (horas) Figura 11 - Evolução da tensão na região central. 6 Tensão normal principal (MPa) Idade (horas) Figura 11 - Evolução da tensão na região próxima à superfície. ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC212 54CBC 11

12 Os resultados apresentados encontram-se nitidamente diferentes e se devem em grande parte a elevação adiabática, a qual se mostrou retardada e posteriormente superior para a dosagem com escória, refletindo-se no comportamento tensional. Pó outro lado, nota-se que os níveis de tensão de tração da dosagem com escória se mostraram inferiores à dosagem com pozolana, possivelmente pela contribuição no alívio de tensão provocado pela fluência, uma vez que a dosagem com escória apresentou fluência bem superior a dosagem com pozolana. As tensões de compressão da dosagem com escória atingiram 4,2 MPa na idade de 3 dias e 2,9 MPa na idade de 2 dias para a dosagem com pozolana na região central da estrutura. Já as tensões de tração alcançaram o patamar de 6,1MPa para a dosagem com escória na região central, enquanto que para a dosagem com pozolana atingiu o valor de 7,MPa. Esta pequena diferença pode estar associada a grande fluência obtida na dosagem com escória, conforme comentada anteriormente, muito embora sejam duas dosagens praticamente com a mesma proporção básica entre agregados e aglomerantes e ainda mesmo fck, podendo-se inferir que a resistência à compressão não é suficiente para informar sobre os riscos de fissura térmica. Em termos de risco do aparecimento de fissuras de origem térmica é importante não só avaliar as tensões solicitantes, mas compará-las com a potencial resistência que os concretos possuem de resistir ao aparecimento das fissuras. Para tanto foi adotado um modelo comparativo das tensões solicitantes com as suas respectivas resistências à tração por meio de um único valor, definido como sendo um fator de segurança FS, correspondente à relação da diferença entre a tensão solicitante σ e a resistente (resistência à tração na flexão fct,f), conforme apresentada na expressão 1. FS y + fct, f = σ fct, f (Expressão 1) Assim, obtiveram-se os fatores de segurança para cada dosagem nas duas regiões da seção transversal apresentados nas Figuras 12 e 13. Conforme convenção positiva para os valores de resistência à tração e as tensões solicitantes de compressão, e negativa para as tensões de tração, o FS no início tende a ser positivo, pois desta forma as tensões normais de compressão no maciço se somam ao efeito da resistência à tração, gerando maior segurança. Quando as tensões solicitantes começam a tracionar a estrutura, ficando σ com sinal negativo, tende a reduzir gradativamente o FS e com isso aumenta o risco de fissuras. Deste modo, para FS positivo (FS>) o risco de fissuras de origem térmica é menor, e quando FS torna-se negativo (FS<) as chances de surgimento de fissuras são iminentes, tanto maiores quanto mais negativo for este fator. ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC212 54CBC 12

13 4 Fator de Segurança Idade (horas) Figura 12 - Fator de segurança na região central. 4 Fator de Segurança Idade (horas) Figura 13 - Fator de segurança na região próxima à superfície. Confirma-se pelos gráficos das Figuras 12 e 13 que mesmo a dosagem com escória tenha apresentado maior módulo de elasticidade, que favorece ao maior acúmulo de tensões, menor resistência à tração na flexão e ainda maiores temperaturas na estrutura, os riscos de fissura foram inferiores à dosagem com pozolana. Este fenômeno se deve ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC212 54CBC 13

14 em grande parte ao efeito amenizador das tensões correspondente aos elevados resultados de fluência para a dosagem com escória, em todas as idades de início de carregamento estudadas na tese de Botassi (211). 9 Considerações Finais Em síntese para as situações avaliadas neste trabalho, percebeu-se a tendência de que a dosagem com alta fluência (com escória associada com superplastificante), em todas as idades de início de carregamento, apresentou grande redução nas tensões de origem térmica e, por conseguinte, nos riscos de aparecimento de fissuras, quando comparado com a dosagem com pozolana misturada com o mesmo aditivo. É interessante ressaltar, entretanto, que se a dosagem com escória apresentasse fluência elevada somente nas primeiras idades, como observado em outras combinações de dosagem na tese de Botasssi (211), os riscos de aparecimento poderiam aumentar, pois as tensões de tração não seriam reduzidas pela alta fluência em idades superiores a 7 dias. Deve-se salientar por fim que não é possível generalizar os resultados apresentados neste trabalho para outras situações e dosagens, muito embora o que se observou foi que as dosagens praticamente não possuíam grandes diferenças em suas composições, como também nas propriedades que classicamente são estabelecidas em projeto (fck e módulo de elasticidade), mas ainda assim o comportamento térmico foi visivelmente distinto. Logo, estima-se que as adições minerais devam ser dosadas não só para a melhoria das propriedades mecânicas básicas do concreto, mas também se preocupando com os potenciais efeitos no problema térmico. 1 Referências BOTASSI, Sergio Santos. Uma Contribuição ao Estudo do Comportamento Termomecânico de Estruturas Maciças de Concreto. Modelagem Viscoelástica Linear e Aplicações. Vitória-ES: UFES, 24. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil), Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil PPGEC, Universidade Federal do Espírito Santo, 24. BOTASSI, Sergio Santos. Análise da Fluência do Concreto Massa nas Primeiras Idades de Carregamento: Influência de Aditivos Plastificantes e Adições Minerais. Porto Alegre: UFRGS, 211. Tese (Doutorado em Engenharia Civil), Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil PPGEC, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 211. ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC212 54CBC 14

15 SILVA, C. J. Comportamento de estruturas metálicas e mistas em situação de incêndio Modelagem e aplicações f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, 22. ANAIS DO 54º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC212 54CBC 15