PUC-CAMPINAS Faculdade de Engenharia Civil. Disciplina Materiais de Construção Civil A

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1 PUC-CAMPINAS Faculdade de Engenharia Civil Disciplina Materiais de Construção Civil A CONCRETO Profa. Lia Lorena Pimentel

2 CONCRETO 1. DEFINIÇÃO Aglomerado resultante da mistura de cimento, água, agregados miúdos e graúdos, e, eventualmente aditivos e/ou adições, resultando um material que consiste essencialmente de um meio contínuo aglomerante (que é formado por uma mistura de cimento hidráulico e água), dentro do qual estão mergulhados partículas ou fragmentos de agregados. O concreto tem uma estrutura interna altamente complexa e heterogênea, sendo esta a dificuldade de sua compreensão. Entretanto, o conhecimento da estrutura e das propriedades individuais dos materiais constituintes e da relação entre eles auxilia a compreensão das propriedades dos concretos. O concreto é dividido em três fases: pasta de cimento hidratada, agregado e zona de transição na interface entre a pasta de cimento e o agregado. A fase agregado é a principal responsável pela massa unitária, pelo módulo de elasticidade e pela estabilidade dimensional. Essas propriedades do concreto dependem, principalmente, da densidade e da resistência do agregado, que por sua vez são determinadas mais por suas características físicas do que pelas químicas. A pasta de cimento hidratada é resultado das complexas reações química do cimento com a água. A hidratação do cimento evolui com o tempo, o que resulta em diferentes fases sólidas, vários tipos de vazios e água em diferentes formas. A zona de transição, na interface das partículas grandes de agregado e da pasta de cimento, embora composta pelos mesmos elementos que a pasta de cimento hidratada, apresenta propriedades diferentes da matriz. Esse fato se deve principalmente ao filme de água formado em torno das partículas de agregado, que alteram a relação água/cimento nessa região, formando uma estrutura mais porosa e menos resistente. 2. PROPRIEDADES DO CONCRETO 2.1. No Estado Fresco:

3 Conhecer o comportamento do concreto no estado plástico é muito importante. Para se obter concretos endurecidos de boa qualidade, é necessário que ele seja tratado cuidadosamente na fase plástica, uma vez que as deficiências geradas nesta fase resultarão em prejuízos para o resto da vida da peça fabricada, comprometendo a sua durabilidade. a) Trabalhabilidade A palavra trabalhabilidade é um termo que se refere às propriedades do concreto no estado fresco, isto é, às propriedades do concreto antes que se inicie a pega e seu endurecimento. Definições de Trabalhabilidade: American Concrete Institute (ACI): propriedade do concreto ou argamassa no estado fresco que determina a facilidade e a homogeneidade com as quais o material pode ser misturado, lançado, adensado e acabado; American Society for Testing and Materials (ASTM): a trabalhabilidade pode ser definida como a propriedade que determina o esforço necessário para manipular uma quantidade de concreto fresco com uma perda mínima de homogeneidade, MEHTA & MONTEIRO : A trabalhabilidade é uma propriedade composta de pelo menos dois componentes principais: fluidez, que descreve a facilidade de mobilidade do concreto fresco; e a coesão, que descreve a resistência à exsudação ou à segregação. É a maior ou menor facilidade que tem o concreto de ser transportado, lançado, adensados e acabado sem perder a homogeneidade e continuidade. Fatores condicionantes da trabalhabilidade: (extrínsecas) Equipamentos e procedimentos de concretagem (Mistura, Transporte, Lançamento, Adensamento); Dimensões da peça e quantidade de armadura da peça a concretar; Tempo de uso do concreto; Condições ambientes. Fatores determinantes da trabalhabilidade: (Intrínsecas) Natureza, forma e granulometria dos agregados Percentagem de massa de água em relação à massa de materiais secos (cimento e agregados) - A% = Qágua/(Qcim+Qareia+Qbrita) Proporção cimento / agregado

4 Proporção argamassa / concreto Relação água / cimento Aditivos Modificadores da reologia das misturas (plastificantes, superplastificantes, incorporadoresde ar) ou Modificadores da pega do cimento (retardadores e aceleradores) A trabalhabilidade é avaliada indiretamente através da consistência do concreto, que é por definição a resistência que a massa apresenta para se deformar ou grau de plasticidade da mistura. O principal fator que influi na consistência é a relação entre o peso da água e o peso dos materiais secos multiplicada por 100, o teor água/materiais secos (A%). Pagua A% = *100 Pcimento + Pagregados onde: Pagua = peso da água Pcimento = peso do cimento Pagregados = peso do agregado miúdo + agregado graúdo Em função de sua consistência, o concreto é classificado em: seco ou úmido - quando a relação água/materiais secos é baixa, entre 6 e 8%; plástico - quando a relação água/materiais secos é maior que 8 e menor que 11%; fluido - quando a relação água/materiais secos é alta, entre 11 e 14%. Métodos para determinação da consistência baseados na deformação do concreto fresco Ensaio de abatimento do tronco de cone (slump test) - (NBR 7223). Deve ser usado para concreto de consistência plástica. Procedimento: Chapa metálica Forma tronco-cônica (20 cm de diâmetro na base, 10 cm de diâmetro no topo e 30 cm de altura) Barra metálica com 16 mm de diâmetro e 60 cm de comprimento Enchimento da forma em 3 camadas, adensadas com 25 golpes com a barra metálica

5 Retirada da forma, verticalmente, e medida da diferença entre a altura inicial de 30 cm e a altura após o abatimento (slump do concreto) Ensaio de VeBe (ACI 211.3/87) usado para concreto de consistência seca Medida do tempo (segundos) necessários para a completa remoldagem, usando mesa vibratória. A remoldagem é completa quando a nata de cimento ocupa toda a superfície de uma placa de vidro ou plástico que se apóia no tipo do tronco de cone, inicialmente, acompanhando sua transformação em cilindro. Procedimento: Tronco de cone colocado dentro de recipiente cilíndrico Disco metálico, com 1,9kg é colocado sobre o tronco de cone de concreto moldado

6 Ensaio de abatimento na mesa de Graff (NBR NM 68/98) usado para concreto de consistência fluída Procedimento: Cone com 20cm de diâmetro na base, 13cm de diâmetro no topo e 20cm de altura Moldado em 2 camadas iguais, adensadas com 10 golpes, com soquete Aplicado 15 golpes em 15 s Caixa de Walz (DIN ) usado para concreto de consistência entre plástica e seca. Procedimento: Mede o abatimento sofrido pelo concreto, em cm, em função de seu adensamento por vibração Caixa metálica com dimensões de 20 x 20 x 40 cm, preenchida com o concreto Concreto vibrador de imersão até obtenção de superfície lisa e brilhante Perda de Consistencia Influência dos materiais constituintes: Aditivo Acelerador maior velocidade de perda da consistência. Influência da temperatura > temperatura Ambiente maior velocidade de perda da consistência. > temperatura do concreto maior velocidade de perda da consistência. Influência do tempo > tempo maior velocidade de perda da consistência.

7 b) SEGREGAÇÃO DO CONCRETO Separação dos constituintes do concreto, antes do inicio de pega, resultando uma mistura heterogênea de modo que sua distribuição deixe de ser uniforme. Pode ser causada por: Diferenças no tamanho dos grãos de agregados Diferenças na massa específica dos constituintes dos componentes - Excesso de vibração no adensamento Formas de segregação: - Grãos maiores se separam dos demais (misturas secas) - Separação da pasta (misturas muito úmidas) c) EXUDAÇÃO Semelhante à segregação, só que neste caso ocorre o afloramento de água na superfície superior do concreto fresco, é típico indicador de concreto com excesso de água e com pouca quantidade de finos. A exsudação inicialmente evolui em velocidade constante, decrescendo à medida que ocorrem as primeiras reações de hidratação (início de pega) d) TEMPO DE PEGA Intervalo de tempo desde a adição de água até o momento no qual o concreto não pode ser mais trabalhado. É influenciado por: Temperatura do concreto e Temperatura ambiente: quanto maior a temperatura menor o tempo de pega. Tipo de cimento cimento com maior teor de C3S tem menor tempo de pega. Relação a/c Utilização de aditivos

8 TEMPO DE PEGA ENSAIO NBR 9832/87 Resistência à penetração da agulha de Proctor Início: > 3,4 MPa Fim: > 27,6 MPa e) TEOR AR INCORPORADO Efeitos sobre o concreto fresco: Ar aprisionado: aquele ar que não saiu apesar do adensamento (0,5 a 2%) Ar incorporado: ar incorporado através do emprego de aditivos, para aumentar sua plasticidade. (portanto pode-se reduzir o teor de água) Efeitos sobre o concreto endurecido: Aumento da resistência ao ataque de águas agressiva; Diminui a absorção capilar, uma vez que as bolhas interrompem os canalículos, reduzindo a capilaridade; Redução da massa específica aparente; Diminuição das resistências à compressão e à tração, dependendo da quantidade de ar incorporado. Os vazios capilares têm forma irregular, os vazios de ar incorporado são geralmente esféricos. Os vazios do ar incorporado têm diâmetro típico de 50 µm; ao passo que o do ar acidental, em geral, forma bolhas muito maiores, algumas tão grandes que aparecem junto às formas. f) DEFORMAÇÕES Retração Plástica (ou Retração por secagem)

9 Denomina-se retração a redução de volume que ocorre no concreto, mesmo na ausência de tensões mecânicas e de variações de temperatura. A retração por secagem é a deformação associada à perda de umidade. Ocasionada pela perda de água por evaporação do concreto ainda no estado plástico. A intensidade da retração plástica é influenciada pela temperatura, pela umidade relativa e pela velocidade do vento. Pode haver fissuração se a quantidade de água perdida for maior que a quantidade de água que sobe a superfície por efeito da exsudação No Estado Endurecido: a) Massa específica Serão considerados os concretos de massa específica normal, entre 2000 kg/m3 e 2800 kg/m3. Para efeito de cálculo, pode-se adotar para o concreto simples o valor 2400 kg/m3, e para o concreto armado, 2500 kg/m3. b) Propriedades Mecânicas As principais propriedades mecânicas do concreto são: resistência à compressão, resistência à tração e módulo de elasticidade. Essas propriedades são determinadas a partir de ensaios, executados em condições específicas. Geralmente, os ensaios são realizados para controle da qualidade e atendimento às especificações. Resistência à compressão A resistência à compressão simples, denominada fc, é a característica mecânica mais importante. Para estimá-la em um lote de concreto, são moldados e preparados corpos de prova segundo a NBR 5738 Moldagem e cura de corpos-de-prova cilíndricos ou prismáticos de concreto, os quais são ensaiados de acordo com a NBR 5739 Concreto Ensaio de compressão de corpos-de-prova cilíndricos. O corpo de prova padrão brasileiro é o cilíndrico, com 15 cm de diâmetro e 30 cm de altura, ou 10 cm de diâmetro e 20 cm de altura, e a idade de referência é 28 dias. Valor da resistência de ruptura à compressão é dado por: P = valor da carga de ruptura (indicada pelo equipamento) S = área calculada em função do diâmetro do corpo de prova

10 fc = P S Após ensaio de um número muito grande de corpos de prova, pode ser feito um gráfico com os valores obtidos de fc versus a quantidade de corpos de prova relativos a determinado valor de fc, também denominada densidade de frequência. A curva encontrada denomina-se Curva Estatística de Gauss ou Curva de Distribuição Normal para a resistência do concreto à compressão. Curva de Gauss para a resistência do concreto à compressão (NBR 12655) Na curva de Gauss encontram-se dois valores de fundamental importância, a resistência média do concreto à compressão, fcm, e resistência característica do concreto à compressão, fck. O valor fcm é a média aritmética dos valores de fc para o conjunto de corpos de prova ensaiados, e é utilizado na determinação da resistência característica, fck, por meio da fórmula: fck = fcm 1,65 * s A NBR 6118/82 estabelece valores do desvio padrão (s) em 4; 5,5 ou 7 MPa, que dependem da qualidade de execução da obra

11 O valor 1,65 corresponde ao quantil de 5 %, ou seja, apenas 5 % dos corpos de prova possuem fc < fck, ou seja, 95 % dos corpos de prova possuem fc > fck. Resistência à tração Os conceitos relativos à resistência do concreto à tração direta, são análogos aos expostos no item anterior, para a resistência à compressão. Portanto, tem-se a resistência média do concreto à tração, fctm, valor obtido da média aritmética dos resultados, e a resistência característica do concreto à tração, fctk ou simplesmente ftk, valor da resistência que tem 5% de probabilidade de não ser alcançado pelos resultados de um lote de concreto. A diferença no estudo da tração encontra-se nos tipos de ensaio. A seguir são apresentados os métodos de compressão diametral e tração na flexão. Ensaio de tração na compressão diametral (spliting test) É o ensaio mais utilizado, por ser mais simples de ser executado e utilizar o mesmo corpo de prova cilíndrico do ensaio de compressão (15 cm por 30 cm ou 10cm por 20 cm). Para a sua realização, o corpo de prova cilíndrico é colocado com o eixo horizontal entre os pratos da máquina de ensaio, e o contato entre o corpo de prova e os pratos deve ocorrer somente ao longo de duas geratrizes, onde são colocadas tiras padronizadas de madeira, diametralmente opostas, sendo aplicada uma força até a ruptura do concreto por fendilhamento, devido à tração indireta P = carga máxima aplicada, kn d = diâmetro do corpo-de-prova, mm L = altura do corpo-de-prova, mm

12 Ensaio de tração na flexão Para a realização deste ensaio, um corpo de prova de seção prismática é submetido à flexão, com carregamentos em duas seções simétricas, até à ruptura. O ensaio também é conhecido por carregamento nos terços, pelo fato das seções carregadas se encontrarem nos terços do vão. Analisando os diagramas de esforços solicitantes, pode-se notar que na região de momento máximo tem-se cortante nula. Portanto, nesse trecho central ocorre flexão pura. Os valores encontrados para a resistência à tração na flexão, fct,m, são maiores que os encontrados nos ensaios de tração direta e por compressão diametral. p = carga máxima aplicada, N l = distância entre apoios, mm d =largura média na seção de ruptura, mm b = altura média na seção de ruptura, mm Módulo de elasticidade Outro aspecto fundamental no projeto de estruturas de concreto consiste na relação entre as tensões e as deformações.

13 Sabe-se da Resistência dos Materiais que a relação entre tensão e deformação, para determinados intervalos, pode ser considerada linear (Lei de Hooke), ou seja, σ = E*ε σ E Módulo de Elasticidade ou Módulo de Deformação Longitudinal. Fatores que influem nas propriedades mecânicas do concreto Os principais fatores que influem nas propriedades do concreto são: Tipo e quantidade de cimento; Qualidade da água e relação água-cimento; Tipos de agregados, granulometria e relação agregado-cimento; Influência do Agregado forma e graduação dos agregados - Aderência da pasta de cimento ao agregado Resistência do próprio agregado Presença de aditivos e adições; Procedimento e duração do processo de mistura; Condições e duração do transporte e do lançamento; Condições de adensamento e de cura; Forma e dimensões dos corpos de prova; Tipo e duração do carregamento; Idade do concreto, umidade, temperatura etc. ε

14 Deformações Deformação Imediata A deformação imediata acontece por ocasião do carregamento e ocorre de acordo com a Teoria da Elasticidade. Corresponde ao comportamento do concreto como sólido verdadeiro, e é causada por uma acomodação dos cristais que formam o material. Deformação Lenta ou Fluência Presume-se que a deformação lenta ou fluência seja relativa, principalmente, à remoção da água adsorvida da pasta de cimento hidratada devido a tensão constante aplicada. As causas da fluência no concreto são complexas, além dos movimentos de umidade, há outras causas que contribuem para a fluência, principalmente a microfissuração da zona de transição e a resposta elástica retardada no agregado. Durabilidade Parâmetros fundamentais: Qualidade dos materiais; Controle da relação a/c; Consumo de cimento (> 300 kg/m3); Cobrimento da armadura (NBR 6118); Dimensionamento do concreto em função da exposição (classe de agressividade ambiental); Manutenção; Uso de aditivos e adições. A manutenção do desempenho mínimo durante a vida útil depende dos seguintes fatores: Permeabilidade; Agentes agressivos; Condições de exposição. A NBR 6118 prevê as classes de agressividade ambiental conforme a tabela abaixo e baseado nestas classes ambientais são especificados a relação a/c máxima (Tabela 7.1 da NBR 6118) e o cobrimento mínimo da armadura (Tabela 7.2 da NBR 6118).

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