ADERÊNCIA COMPÓSITO X AÇO: INFLUÊNCIA DO DIÂMETRO DA BARRA DE AÇO

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1 Anais do XVII Encontro de Iniciação Científica ISSN Anais do II Encontro de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação ISSN e 26 de setembro de 12 ADERÊNCIA COMPÓSITO X AÇO: INFLUÊNCIA DO DIÂMETRO DA BARRA DE AÇO Daniel Elias Negrão Faculdade de Engenharia Civil CEATEC daniel.en@puccamp.edu.br Lia Lorena Pimentel Grupo de Pesquisa: Tecnologia do Ambiente Construído CEATEC lialp@puc-campinas.edu.br Resumo: Hoje em dia o controle de qualidade para concreto armado é realizado em duas etapas: verifica-se a resistência do concreto pelos corpos de prova e posteriormente, a resistência da barra de aço. Ou seja, sempre separadamente. Contudo para que se obtenha um concreto armado de boa qualidade é essencial saber como o concreto e a barra de aço se comportam em conjunto. Infelizmente é impossível fazer um ensaio de aderência na obra, pois é necessário moldar corpos de prova e ensaia-los em laboratório conforme o ensaio normalizado, o pull-out-test. Com esse trabalho esperamos obter resultados de tensão de aderência por meio do ensaio APLOUT, que propõe uma metodologia passível de ser realizada em canteiro de obra e que consiste em moldar os corpos de prova utilizando garrafas PET como moldes. Para esse ensaio, o comprimento de aderência foi definido como 1 vezes o valor do diâmetro; os diâmetros de barras de aço ensaiado foram de 1 e 12,5 mm de diâmetro. O ensaio de arrancamento foi feito com uma bomba hidráulica manual, sendo determinados o deslocamento e a carga. Os concretos usados tem classe de resistência de e 5 MPa executados com substituição de 5% do agregado natural por resíduos de porcelana proveniente do descarte de isoladores elétricos. Palavras-chave: Aderência, resíduos, concreto. Área do Conhecimento: Engenharia Civil - Construção Civil - CNPq 1. INTRODUÇÃO Devido ao grande consumo de materiais, a construção civil torna-se sempre alvo de estudos que viabilizem o aproveitamento de resíduos, não só os gerados pelo próprio setor, mas também resíduos provenientes de outros setores industriais. A utilização do concreto armado na construção civil, só é possível graças ao trabalho conjunto entre o aço e o concreto, sendo tal comportamento conhecido como aderência. O entendimento desse mecanismo é que permite prever a capacidade de carga das estruturas, bem como as solicitações decorrentes desse processo [1]. Neste trabalho propõe-se o desenvolvimento de um concreto produzido com substituição de 5% dos agregados naturais miúdos e graúdos por resíduo de porcelana proveniente do descarte de isoladores elétricos. Espera-se atingir a classe de resistência de e 5 MPa. A avaliação da aderência entre esse concreto e a barra de aço será analisada pelo ensaio APLOUT, para este ensaio foi utilizado apenas um tipo de garrafa PET e barras de aço de 1 e 12,5 mm, a fim de se determinar também a influência do diâmetro da barra na aderência entre ela e o concreto. 1.1 Utilização de Resíduos na Produção de Concreto A preocupação com o meio ambiente e a escassez de recursos naturais tem levado à busca por alternativas de crescimento mais sustentáveis por parte de todos os segmentos da sociedade. Dentro desta corrida pelo bem estar ambiental, a reciclagem de resíduos tem se mostrado uma boa alternativa na redução do impacto causado pelo consumo desordenado de matéria-prima e pela redução das áreas de disposição, em virtude do grande volume de resíduos descartados a cada ano em todo mundo. A construção civil é reconhecida como uma das mais importantes atividades para o desenvolvimento econômico e social, e, por outro lado, comporta-se, ainda, como grande geradora de impactos ambientais, quer seja pelo consumo de recursos naturais, pela modificação de paisagem ou pela geração de resíduos [2]. A fim de se amenizar essa situação do consumo de agregados naturais nesse trabalho pretende-se desenvolver um concreto com substituição dos agregados naturais por resíduo de porcelana proveniente do descarte de isoladores elétricos, já que esse material é descartado em grande quantidade no meio ambiente. Segundo Campos [3], a produção anual brasileira de isoladores elétricos de porcelana é da ordem de 3. toneladas, cerca de 8% dessa produção se destina à substituição periódica de isoladores

2 Anais do XVII Encontro de Iniciação Científica ISSN Anais do II Encontro de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação ISSN e 26 de setembro de 12 instalados em hidrelétricas e principalmente em redes de distribuição de energia, sendo o restante utilizado em novas usinas e ampliação de redes. A troca dos isoladores ocorre em média a cada dez anos devido ao desgaste e à dificuldade em substituir a parte metálica interna ao corpo cerâmico. A legislação brasileira obriga os produtores a recolher as peças substituídas, o que gera um resíduo de aproximadamente 25 mil toneladas por ano. Como resultado Campos [3] concluiu que o corpo de prova produzido a partir da porcelana suportou 1 toneladas antes de romper. Já o corpo de prova produzido a partir do concreto comum suportou no máximo 7 toneladas. 1.2 Aderência Concreto Aço Em estruturas de concreto armado a capacidade de carga está intrinsecamente atrelada com o comportamento da aderência ligação aço-concreto. Para a correta compreensão das regras de cálculo do comprimento de ancoragem e emendas por traspasse das barras de armaduras, para o cálculo das deflexões, considerando o efeito de enrijecimento por tração, o controle de fissuração e a quantidade mínima de armadura, o conhecimento do comportamento da aderência é indispensável [4], [5]. No comportamento da aderência aço-concreto existem vários fatores que influenciam, tais como: o tipo de configuração das nervuras da barra; o diâmetro da barra; o estado em que se encontra a superfície da barra (deterioração); a disposição da barra na hora do lançamento do concreto: horizontal ou vertical, a relação água cimento (a/c), as resistências mecânicas do concreto, as adições minerais, tais como os materiais pozolânicos, as características físico-químicas dos materiais empregados no concreto, o adensamento e a idade de ruptura. As tensões originárias das solicitações atuantes na superfície de contato aço-concreto são denominadas tensões de aderência. Essas podem ser estimadas a partir de expressões de cálculo propostas por normas provenientes de ensaios executados ou de modelos matemáticos. Existem vários ensaios que determinam os valores da tensão de aderência entre a armadura e o concreto. O Pull-out test é o mais tradicional, normatizado pela RILEM 7.II 128 [6] e pela ASTM C234 [7]. A norma brasileira define a tensão de aderência em função da conformação superficial da barra. Esse coeficiente é determinado conforme especificação da NBR 7477 [8]. 1.3 Determinação da Aderência Ensaio APLOUT Lorrain e Barbosa [9], com o propósito de facilitar o ensaio de arrancamento direto POT, e objetivando aplicá-lo em canteiro de obra, sugeriram uma modificação no ensaio pull-out test, o qual denominaram ensaio APULOT. Este ensaio utiliza como molde de corpo-de-prova garrafas de plástico PET, as quais devem possuir um diâmetro mínimo de 8 cm e se possível um formato mais homogêneo. A Figura 1 ilustra o ensaio de arrancamento modificado "APULOT", com a localização da zona aderente e as trajetórias de tensões de tração e compressão. Uma alteração introduzida nesse ensaio é o fato do corpode-prova se manter dentro do invólucro de plástico da garrafa PET, o que leva a uma diminuição da deformação lateral do mesmo. Figura 1 Esquema do Ensaio APLOUT [1] 2. METODOLOGIA Foram analisadas as características físicas dos a- gregados produzidos a partir da reciclagem de isoladores elétricos descartados. Após estudo de dosagem para definição do traço foram moldados, a partir de uma única massada, corpos de prova para determinação da resistência a compressão simples, resistência a tração por compressão diametral e modulo de elasticidade para as idades de 7 e 14 dias de idade. Foram moldados também os modelos para ensaio de arrancamento pelo método APULOT utilizando como molde a garrafa PET mostrada na Figura 2. Foram moldados 6 modelos de cada diâmetro de barra para a idade de 14 e 28 dias. O concreto foi produzido utilizando os seguintes materiais: - cimento: tipo CP ARI RS; - água: da rede de abastecimento da cidade de Campinas; - areia: tipo quartzosa;

3 Anais do XVII Encontro de Iniciação Científica ISSN Anais do II Encontro de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação ISSN e 26 de setembro de 12 - brita: tipo basalto; -resíduo de isoladores elétricos em duas granulometrias (agregado miúdo e graúdo) e, - aditivo: superplastificante. Tabela 3 Características do Aço Diâmetro da Barra ( mm ) Tensão de Escoamento (MPa) Tensão de Ruptura (MPa) 1 545, 713,3 12,5 463,4 7,3 A proporção de mistura adotada em massa para o concreto classe MPa foi de 1: 1,15 :1,15 : 1,64 : 1,64 (cimento:areia natural: areia de porcelana: brita 1 natural: brita de porcelana); a/c =,4 e 1% de aditivo em relação a massa de cimento. Após a moldagem, os corpos de prova e os modelos de garrafa PET foram colocados em cura submersos em água até a idade de ensaio. Figura 2 Modelo de garrafa PET utilizada no ensaio Os agregados utilizados tiveram as características de massa unitária, capacidade de absorção de água e diâmetro máximo e módulo de finura determinadas segundo as NBRNM53 [11], NBRNM52 [12], NBRNM45 [13], NBRNM 248 [14]. Os resultados são apresentados na Tabela 1 para os agregados graúdos. Tabela 1 Caracterização do agregado Graúdo Brita 1 Brita 1 - Resíduos de Características Basáltica isoladores Massa Unitária (kg/l) 1,67 1,41 Massa Especifica 2,67 2,8 Capacidade de Absorção (%) 4,6,25 Diâmetro Max (mm) O agregado miúdo natural e o obtido pela reciclagem de isoladores elétricos tiveram as características de massa específica, massa unitária, módulo de finura e diâmetro máximo determinadas, e são apresentadas na Tabela 2. Tabela 2 Caracterização do agregado Miúdo Característica Areia Natural Areia Porcelana Massa Unitária (kg/l) 1,36 1,65 Massa Especifica 2,55 2,82 Módulo de Finura 2,62 3,69 Diâmetro Max (mm) 2,4 4,8 As Barras de aço utilizadas no ensaio tinham o diâmetro de 1 e 12,5 mm, aço CA 5. As características do aço estão na Tabela PROCEDIMENTOS DE ENSAIO Para se caracterizar o concreto foram realizados ensaios com 7 e 14 e 28 dias de idade para corpos de provas cilíndricos de dimensões 1xcm. Os ensaios realizados foram determinação do Módulo de elasticidade [15], determinação de resistência a tração por compressão diametral [16] e compressão axial [17]. A tensão de aderência foi determinada pelo método APLOUT. Foram feitos modelos para o ensaio de arrancamento e o calculo da tensão de aderência foi obtido dividindo-se a carga de arrancamento pela área de aderência, conforme equação abaixo: Onde: F Carga de arrancamento L comprimento de ancoragem A Figura 3 apresenta o dispositivo para o ensaio, composto por conjunto hidráulico de haste vazada capacidade de 3 ton, célula de carga de capacidade ton e transdutor de deslocamento de 5 mm. Os sensores foram ligados a um aquisitor de dados HBM de 8 canais. Figura 3 Bomba Hidráulica, célula de carga e LVDT

4 Anais do XVII Encontro de Iniciação Científica ISSN Anais do II Encontro de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação ISSN e 26 de setembro de RESULTADOS 4.1 Caracterização do Concreto A resistência a compressão foi determinada conforme NBR 5739 [17], em prensa Pruf und Mess MFL Systeme com capacidade de 1 toneladas, para as idades de 7, 14 e 28 dias. Os resultados do concreto classe MPa, são apresentados no gráfico da Figura 4 e os do concreto de 5 MPa estão na Figura 5. dias de idade em prensa hidráulica informatizada modelo DL 3 - EMIC com capacidade de 3 toneladas, para o concreto classe MPa ,84 35,23 25,7 7 dias 14 dias 28 dias 7 dias 14 dias 28 dias Figura 6 Módulo de Elasticidade a 7, 14 e 28 dias (GPa) Concreto classe MPa. Figura 4 Resistência a Compressão Simples a 7 14 e 28 dias (MPa) Concreto classe MPa ,7 4,4 29,1 7 dias 14 dias 28 dias Figura 5 Resistência a Compressão Simples a 7, 14 e 28 dias (MPa) Concreto classe 5 MPa A resistência à tração por compressão diametral foi determinada segundo a NBR 7222 para 4 corpos de prova nas idades de 14 e 28 dias. O valor médio obtido para o concreto classe MPa aos 14 dias foi de 4,4 MPa e aos 28 dias foi de 4,2. O valor médio obtido para o concreto classe 5 MPa aos 14 dias foi de 4,3 MPa e aos 28 dias foi de 4,7 MPa. Os gráficos das Figuras 6 e 7 apresentam os resultados de modulo de elasticidade obtidos a 7, 14 e 28 Figura 7 Módulo de Elasticidade a 7, 14 e 28 dias (GPa) Concreto classe 5 MPa Devido ao fato do traço classe 5 MPa não ter atingido a resistência a compressão axial esperada, os resultados dos ensaios APLOUT para esta classe, foram descartados. 4.2 Análise da tensão de aderência e da influência do diâmetro da barra de aço O ensaio de arrancamento fornece os gráficos de força em relação ao deslizamento. Para o calculo da tensão de aderência a força foi dividida pela área de contato entre aço e concreto. Os gráficos a seguir apresentam as rupturas dos corpos de prova, a letra F significa que houve um fendilhamento no corpo de prova; a letra D mostra que ocorreu um deslizamento da barra de aço em relação ao concreto e a letra R significa que ouve a ruptura da barra de aço. Os gráficos das Figuras 8 e 9 apresentam a tensão de aderência em relação ao deslizamento para os modelos com barras de 1 mm e de 12,5 mm de

5 Tensão(MPa) Tensão(MPa) Tensão(MPa) Tensão(MPa) Anais do XVII Encontro de Iniciação Científica ISSN Anais do II Encontro de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação ISSN e 26 de setembro de 12 diâmetro e com concreto classe MPa aos 14 dias de idade Ensaio 1 - R Ensaio 2 - R Ensaio 3 - R Ensaio 4 - F Ensaio 5 - R Ensaio 1 - F Ensaio 2 - D Ensaio 3 - R Ensaio 4 - R Ensaio 5 - R Figura 8 Ensaio aos 14 dias 1mm Figura 11 Ensaio aos 28 dias - 12,5mm Observa-se que ocorreu a ruptura da barra para a maioria dos modelos, nota-se que existe um pico no gráfico e posteriormente uma queda acentuada, indicando que naquele momento a barra se rompeu Ensaio 1 - D Ensaio 4 - R Ensaio 5 - R Figura 9 - Ensaio aos 14 dias 12,5mm Os gráficos das Figuras 1 e 11 apresentam a tensão de aderência em relação ao deslizamento para os modelos com barras de 1 mm e de 12,5 mm de diâmetro e com concreto classe MPa aos 28 dias de idade Figura 1 Ensaio aos 28 dias 1mm Ensaio 3 - F Ensaio 4 - D Ensaio 5 - D Ensaio 6 - D Figura 12 - Molde da garrafa após o ensaio de arrancamento em que ouve a ruptura da barra de aço Entretanto nas barras que deslizaram não houve muitas fissurações visíveis, a Figura 13a indica o inicio de fissuração do gargalo da garrafa PET, em 13b pode-se observar o escorregamento da barra e em 13c observa-se que não ocorreram fissuras visíveis no topo do modelo. a Figura 13 Molde da garrafa após o ensaio de arrancamento. 5. CONCLUSÃO b Comparando os resultados apresentados pelos gráficos de tensão x deslizamento entre as barras de 1 mm e de 12,5 mm, pode-se concluir que as tensões e as forças necessárias para a barra de 12,5 foram menores provavelmente devido ao confinamento da barra de aço ser menor, ou seja, o volume de concreto em torno da barra de aço é relativamente baixo para o diâmetro de 12,5 mm e, com isso, a força c

6 Anais do XVII Encontro de Iniciação Científica ISSN Anais do II Encontro de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação ISSN e 26 de setembro de 12 requerida e a tensão gerada para se retirar a barra de aço são menores quando comparadas a uma barra de menor diâmetro. AGRADECIMENTOS À PROPESQ Pró-reitoria de pesquisa e Pós-Graduação. A Orientadora Lia Lorena Pimentel. Aos Técnicos do Laboratório de Materiais e Estruturas, Igor, Jô e Fabiano. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] REYES, F E G; Adherencia entre barras de acero y concretos autocompactantes y convencionales sometidos a cargamentos cíclicos y monotónicos Ciência & Engenharia, v. 17, n. 1/2, p. [2] SINDUSCON-SP. Gestão ambiental de resíduos da construção civil: a experiência do SindusCon-SP. Coordenador: Tarcisio de Paula Pinto. São Paulo: Obra Limpa: I&T: SindusCon-SP, p. [3] CAMPOS, M. A. Análise Microestrutural e das Propriedade Mecânicas e de Durabilidade de Argamassa e Concretos com Isoladores Elétricos de Porcelana. Tese de Doutorado, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e urbanismo, UNICAMP, Campinas, 11. [4] DUCATTI, V.A. Concreto de Elevado Desempenho: Estudo da Aderência com a Armadura. Tese (Doutorado) Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 1993 [5] MARTINS, P. C. R., Comportamento conjunto dos materiais: aderência aço-concreto. In: Nova Normalização Brasileira para o Concreto Estrutural, Capítulo 4, Rio de Janeiro, Interciência [6] COMITÉ EURO-INTERNATIONAL DU BÉTON: RILEM/CEB/FIP. Concrete Reinforcement Technology, Paris, Georgi Publishing Company, [7] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, Standard test method for comparing concretes on the basis of the bond developed with reinforced steel, C 234, Philadelphia, [8] Associação Brasileira de Normas Técnicas (1982). NBR7477 Determinação do coeficiente de conformação superficial de barras e fios de aço destinados a armaduras de concreto armado.rio de Janeiro. 7p. [9] LORRAIN, M.; BARBOSA, M.P. Controle de qualidade dos concretos estruturais: Ensaio de aderência aço-concreto. Revista Concreto e Construções. n.51, pp jul, ago, set, 8. [1] SILVA, B. V. Investigação do potencial dos ensaios APULOT e pull-out para estimativa da resistência à compressão do concreto. Dissertação de Mestrado. UNESP de Ilha Solteira. 1. [11] Associação Brasileira de Normas Técnicas (3). NBRNM53 - Agregado graúdo - Determinação de massa específica, massa específica aparente e absorção de água. Rio de Janeiro. 8p [12] Associação Brasileira de Normas Técnicas (3). NBRNM52 Agregado miúdo - Determinação de massa específica e massa específica aparente. Rio de Janeiro. 8p. [13] Associação Brasileira de Normas Técnicas (6). NBRNM45 Agregados - Determinação da massa unitária e do volume de vazios. Rio de Janeiro. [14] Associação Brasileira de Normas Técnicas (3). NBRNM248 Agregados - Determinação da composição granulométrica do agregado miúdo. Rio de Janeiro. [15] Associação Brasileira de Normas Técnicas (3). NBR 8522 Concreto: Determinação dos módulos estáticos de elasticidade e de deformação e da curva tensão-deformação. Rio de Janeiro. 9p. [16] Associação Brasileira de Normas Técnicas (1994). NBR Argamassa e concreto - Determinação da resistência à tração por compressão diametral de corpos-de-prova cilíndricos. Rio de Janeiro. 3p. [17] Associação Brasileira de Normas Técnicas (11). NBR Ensaio de compressão de corpos-de-prova cilíndricos de concreto. Rio de Janeiro. 4p...