Influência da perda de água e das tensões confinantes nas propriedades físicas e mecânicas da argamassa de assentamento para alvenaria estrutural

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1 Influência da perda de água e das tensões confinantes nas propriedades físicas e mecânicas da argamassa de assentamento para alvenaria estrutural Claudius Barbosa (1), João Bento de Hanai (2), Paulo Lourenço (3) Gihad Mohamad (4) (1) Doutor em Engenharia Civil, claudiusbarbosa@yahoo.com.br (2) Professor Titular, EESC-USP, jbhanai@sc.usp.br (3) Professor Catedrático, Universidade do Minho, Portugal, pbl@civil.uminho.pt (4) Professor Associado, Unipampa, gihad@civil.uminho.pt RESUMO Os ensaios padronizados com corpos-de-prova de argamassa não refletem as condições reais a que ela está sujeita na forma de junta de assentamento. O objetivo deste trabalho é verificar as alterações nas propriedades da argamassa no estado endurecido, geradas pela perda de água para o bloco de concreto durante o processo de cura. Analisa-se também o efeito de confinamento decorrente da maior deformabilidade da argamassa em relação ao bloco e da pequena espessura das juntas. Realizaram-se ensaios para obtenção das propriedades mecânicas da argamassa, segundo o método normalizado, e utilizando-se fôrmas absorventes. Ensaios à compressão triaxial complementam a parte experimental, apresentandose também resultados de outros pesquisadores. Determinaram-se as características físicas da argamassa. Constatou-se uma clara tendência de modificação de suas propriedades físicas e mecânicas causada pela perda de água para o bloco e devido ao efeito de confinamento. Essas alterações não são identificadas nos ensaios padronizados, o que pode acarretar imprecisões na interpretação do comportamento estrutural da alvenaria e na formulação de modelos matemáticos de cálculo. Palavras-chave: argamassa de assentamento, alvenaria estrutural, propriedades mecânicas, perda de água, confinamento.

2 Water loss and confinement stresses influence on mechanical properties of structural masonry mortars ABSTRACT The standard test with mortar samples does not represent local conditions of embedding mortars. This paper presents an analysis of the mechanical behavior of bedding mortar samples under triaxial compression tests and water loss. When masonry is subjected to vertical loads, mechanical interactions between blocks and bedding mortar at the joints induce lateral tension and compression stresses. Thus, the mortar layer is submitted to a triaxial stress state that modifies its mechanical properties and behavior under confinement effects. It was carried out tests to obtain mechanical properties of mortar in standard tests and modified mould tests. In addition, triaxial compressive strength were evaluated, also elastic modulus and Poisson ratio values are addressed. Significant differences were observed among triaxial and uniaxial standard test results. The obtained mortar behavior under different levels of lateral pressure is compared with test results done by other researchers in order to produce relevant conclusions for different mortar compositions. Key-words: bed joint mortar, structural masonry, mechanical properties, water loss, confinement effect. 1. INTRODUÇÃO Apesar de participar com volume relativamente pequeno de uma estrutura de Alvenaria, a argamassa de assentamento tem influência significativa na sua resistência última e no seu comportamento em geral. Não obstante ao desenvolvimento científico e tecnológico da Alvenaria Estrutural nas últimas décadas, ainda há fatores que precisam ser melhor compreendidos para que os parâmetros de cálculo e análise estrutural sejam melhor definidos. Estes fatores referem-se às propriedades dos materiais, ao processo de produção das unidades, aos ensaios dos elementos e ao controle da qualidade. Neste sentido, destacam-se as constatações seguintes: a) a argamassa na alvenaria, na forma de junta, está sujeita à perda de água, para o bloco e para o

3 meio, durante o processo de cura; b) o efeito de confinamento da argamassa, devido à sua menor rigidez em relação aos blocos, altera sua resistência e deformabilidade. No caso das argamassas, os ensaios normalizados para a caracterização das suas propriedades físicas e mecânicas não incluem considerações sobre estes efeitos, pois os corpos-de-prova são moldados em fôrmas metálicas, e durante o processo de endurecimento não perdem parte da água, como a junta de argamassa perde para os blocos. Além disso, no ensaio de compressão uniaxial, os corpos-deprova não sofrem o efeito de confinamento ao longo de sua altura. O conhecimento mais preciso das propriedades físicas e mecânicas da argamassa de assentamento tem importância especialmente no desenvolvimento de modelos algébricos e numéricos que visam prever a resistência e o modo de ruína da alvenaria. O aumento de resistência à compressão devido à absorção da água de um graute por parte dos blocos foi quantificado por Garcia (1), utilizando corpos-de-prova cúbicos (9 x 9 x 18 cm) moldados em fôrmas metálicas e outros entre blocos cerâmicos. Os valores encontrados para os CP s submetidos ao referido fenômeno são entre 10% e 45% maiores. Casali, Weidmann e Prudêncio Júnior (2) avaliaram a resistência à compressão da junta de argamassa utilizando um ensaio de penetração de pino, diretamente na junta. Os resultados foram comparados com os obtido em CP s 40 x 40 x 160 mm e cilíndricos 50 x 100 mm. Diferenças na resistência à compressão próximas a 60% foram obtidas comparando-se o ensaio padrão e o de penetração de pino, que leva em conta a perda de água para os blocos. O objetivo deste trabalho é apresentar os resultados de um programa experimental no qual se procurou destacar a influência dos efeitos da secagem e do confinamento separadamente, de modo a oferecer indicativos da variação quantitativa das propriedades físicas e mecânicas da argamassa de assentamento. 2. ARGAMASSA SOB O EFEITO DE PERDA DE ÁGUA DURANTE A CURA Para simular o efeito de perda de água que ocorre na junta de argamassa quando em contato com blocos de concreto, idealizaram-se fôrmas cilíndricas e cúbicas constituídas de gesso e concreto para induzir a perda de água da argamassa ainda em seu estado fresco. Para obtenção de dados comparativos de absorção do gesso e do concreto, foram utilizadas fôrmas cúbicas com o mesmo

4 concreto dos blocos produzidos para outras pesquisas. A opção por utilizar formas de gesso deu-se em função da possibilidade de moldar corpos-de-prova cilíndricos. Corpos-de-prova foram moldados também entre quatro blocos de concreto dispostos de modo adequado. Na Figura 1 estão apresentadas ilustrações dessas fôrmas. Figura 1 Fôrmas cilíndricas e cúbicas de gesso e concreto utilizadas para a moldagem de corpos-de-prova de argamassa. Os resultados apresentados foram obtidos por meio da análise experimental de Barbo, Barbosa e Hanai (3), Barbosa, Hanai e Barbo (4), Barbosa, Hanai e Barbo (5) e Guimarães, Barbosa e Hanai (6). Os corpos-de-prova foram moldados com argamassa de um único lote de mistura nas fôrmas disponíveis, em cada série de ensaios. No dia seguinte, os corpos-de-prova das fôrmas metálicas foram desmoldados e os que estavam em contato com material absorvente permaneceram nas fôrmas até o dia anterior ao ensaio. As argamassas eram constituídas por cimento, cal e areia. Os corpos-de-prova cilíndricos tinham dimensões de 50 x 100 mm e os cúbicos, aresta de 100 mm. Foram utilizados sempre os mesmos tipos de materiais, portanto esta pesquisa não focalizou a influência da qualidade dos materiais constituintes da argamassa. Na Tabela 1 apresentam-se os resultados de cada análise separadamente. Em todos os casos, nota-se que o contato com a fôrma de gesso induziu a perda de água da argamassa durante processo de cura, acarretando aumento na sua resistência à compressão axial. O fenômeno é justificado pelo fato de a quantidade de água adicionada aos materiais secos ser superior à necessária para a hidratação dos materiais aglomerantes, devido à necessidade da trabalhabilidade da argamassa. Com a redução da relação a/c, maior foi a resistência à compressão do material. O coeficiente de variação não foi superior a 5% e 10% nos processos padrão e modificado (fôrmas absorventes), respectivamente. A Figura 2 apresenta a evolução da resistência à compressão no processo modificado em função da resistência à compressão obtida no ensaio normalizado,

5 obtendo-se uma relação exponencial com baixa variabilidade. Todavia, salienta-se que o índice de retenção de água, dependente das características dos materiais utilizados no traço, deve influir na quantidade da perda de água de uma determinada argamassa e, consequentemente, no valor final da sua resistência quando executado o processo modificado. A capacidade de absorção de água do gesso empregado, em comparação com o concreto dos blocos, foi avaliada por meio de ensaios à compressão de corpos-deprova cúbicos, moldados em fôrmas de gesso e de concreto (composta pela disposição de quatro blocos de concreto, conforme Figura 1). A resistência à compressão obtida com cubos provenientes da fôrma de concreto apresentou valor médio 3% maior que o obtido com cubos provenientes da fôrma de gesso, indicando que os materiais apresentam índices de absorção semelhantes. Tabela 1 Resistência à compressão média da argamassa em corpos-de-prova cilíndricos Traço 1 (em volume) Data Ensaio (dias) Processo Padrão 2 (MPa) Processo Modificado 3 (MPa) Relação entre resistências 1:1:2 7 7,2 (5) 9,8 (5) 1,36 1:1,4:4,9 7 6,9 (6) 9,0 (6) 1,30 1:1: ,3 (9) 39,5 (9) 2,04 1:2,5:4,4 7 6,1 (3) 8,2 (12) 1,34 1:0,25:3 7 15,1 (5) 28,9 (5) 1,91 1:0,25: ,3 (5) 31,1 (5) 1,80 1:1: ,6 (3) 39,8 (3) 2,14 1 cimento:cal:areia Fôrma de aço 3 Fôrma de gesso Os números entre parênteses representam a quantidade de corpos-de-prova de cada ensaio. Figura 2 Evolução da resistência à compressão de argamassas no processo modificado em função da resistência obtida por meio do processo padrão argamassa 1:2,5:4,4.

6 Os resultados dos ensaios com cubos moldados em fôrmas de gesso estão apresentados na Tabela 2 e apresentam correlação semelhante, para os dois traços analisados, com os corpos-de-prova cilíndricos. O ganho de resistência obtido nos dois casos é próximo, contudo a relação, para um mesmo traço, entre a resistência de um cubo e seu respectivo cilindro nos dois processos apresenta variação devido às distintas relações entra a área de contato com a fôrma e o volume dos corpos-deprova. Tabela 2 Resistência à compressão da argamassa em corpos-de-prova cúbicos Traço 1 (em volume) Data Ensaio (dias) Processo Padrão 2 (MPa) Processo Modificado 3 (MPa) Relação entre resistências 1:1:5 3 dd 5,2 (3) 10,8 (3) 2,07 1:0,25:3 7 dd 15,7 (3) 28,5 (3) 1,82 1 cimento:cal:areia Fôrma de aço 3 Fôrma de gesso Os números entre parênteses representam a quantidade de corpos-de-prova de cada ensaio. A alteração na constituição do traço original também modifica as demais propriedades mecânicas da argamassa, como a resistência à tração e o módulo de elasticidade (Tabela 3). O módulo de elasticidade apresenta aumento de mais de duas vezes, seguindo o aumento da resistência à compressão. O aumento da resistência à tração é próximo a 25%. Tabela 3 Resistência à tração e módulo de elasticidade da argamassa obtido em Traço 1 (em volume) Data Ensaio (dias) corpos-de-prova cilíndricos f t (MPa) * f t (MPa) E (MPa) * E (MPa) 1:1:5 15 dd 2,3 (3) 2,9 (3) (3) (3) 1,7 (3) 2,1 (3) cimento:cal:areia * Processo modificado Os números entre parênteses representam a quantidade de corpos-de-prova de cada ensaio. Análise adicional foi realizada para avaliar as mudanças nas propriedades físicas do material devido às diferentes condições de cura, conforme resultados da Tabela 4. Quanto menor a quantidade de água em excesso para a hidratação do cimento e da cal, supostamente o que ocorre no processo modificado, menor é o índice de vazios nos corpos-de-prova, sendo maior a massa específica e menor o índice de absorção destes.

7 Um aspecto adicional deve ser enfatizado: as dimensões de uma junta de argamassa são distintas dos corpos-de-prova utilizados nos ensaios, originando diferentes relações entre a área em contato com o bloco e o volume da argamassa. Isto pode acarretar distintos índices de perda de água, possivelmente com maior perda na junta de argamassa, devido à sua pequena espessura. Além disso, um corpo-de-prova envolvido por gesso pode estar sujeito a maior umidade até a data do ensaio, ao contrário dos CP s que são desmoldados e deixados nas condições ambientes no ensaio padrão. Tabela 4 Resistência à tração e módulo de elasticidade da argamassa obtido em corpos-de-prova cilíndricos utilizando-se o traço 1:1:5 com ensaio realizado aos 15 Condição dias Absorção Massa específica (g/cm³) Índice de vazios Processo padrão 12,3% 1,92 0,24 Processo modificado 8,7% 2,07 0,18 3. ARGAMASSA SOB EFEITO DO CONFINAMENTO LATERAL Por ser mais deformável que os blocos de concreto, a junta de argamassa tende a expandir-se lateralmente mais que o bloco, sendo restringida por este. Esta restrição origina tensões laterais na junta de argamassa, ocasionando um estado de compressão triaxial. Os ensaios padronizados para determinação da resistência da argamassa são uniaxiais e, portanto, não representam fielmente o comportamento da argamassa quando na forma de junta. Para caracterizar a argamassa sob efeito de confinamento, desenvolveram-se ensaios de compressão em células triaxiais, com aplicação de distintas pressões laterais. Como referências de outros pesquisadores, considerou-se os dados de Khoo (7), que realizou ensaios triaxiais em corpos-de-prova cilíndricos de 38 x 102 mm de argamassas de traço, em volume, de 1:0,25:3 e 1:1:6. McNary (8) utilizou quatro traços de argamassas, em volume, em suas análises experimentais (1:0,25:3, 1:0,25:4.5, 1:1:6 e 1:2:9) e corpos-de-prova cilíndricos com 54 x 108 mm. Mohamad (9) realizou ensaios com argamassas submetidas à compressão triaxial com cilindros de 50 x 100mm e com os mesmos traços utilizados por McNary (8).

8 Foram moldados corpos-de-prova cilíndricos (50 x 100 mm) constituídos por dois distintos traços de argamassa: 1:0,25:3 e 1:0,5:4.5. Os CP s foram desmoldados no dia seguinte e deixados até o dia do ensaio em condições de laboratório até o ensaio aos sete dias. Um ensaio modificado, utilizando fôrmas de gesso, foi realizado com o traço 1:0,5:4.5. Em todos os ensaios os corpos-de-prova foram instrumentados com extensômetros elétricos de resistência para obtenção das deformações longitudinais e transversais. De modo geral, observou-se comportamento não-linear para todos os níveis de tensão de confinamento e distintas formas de ruptura. Identificou-se comportamento frágil quando não havia pressão lateral, sendo que com o primeiro incremento de carga ocorreu uma sensível mudança para um comportamento mais dúctil. Tais mudanças de comportamento podem ser observadas na Figura 3, onde estão representadas as curvas tensão-deformação dos CP s moldados com argamassa 1:0,25:3, sob os distintos níveis de tensões confinantes. Identifica-se ainda a redução das deformações laterais e o aumento das deformações longitudinais com o aumento do nível da tensão de confinamento do ensaio. Figura 3 Curvas tensão-deformação, longitudinal e lateral, dos corpos-de-prova de argamassa (1:0,25:3) sob distintos níveis de confinamento. Para todos os casos é possível a obtenção de uma envoltória de ruptura linear, que relaciona a resistência à compressão normal com o nível de pressão lateral, conforme se apresenta na Figura 4. Os valores da resistência à compressão normal obtido nas análises da Figura 4a são menores que os encontrados, para um mesmo traço, nas demais análises devido à idade mais baixa dos CP s na data de ensaio. As diferenças entre as inclinações das curvas devem-se às distintas características físicas dos materiais utilizados em cada composição de argamassa, já que o

9 comportamento da argamassa sob compressão triaxial é fortemente influenciado pela porosidade e índice de vazios do CP. Como foi visto, a argamassa que foi moldada em fôrmas de gesso tem sua composição física alterada, o que justifica a mudança do comportamento. Apresenta-se na Figura 5 uma comparação global, considerando-se as relações σ 1/σ 0 e σ 3/σ 0, o que permite a análise da influência relativa da tensão lateral σ 3, sendo σ 0 a resistência da argamassa não-confinada e σ 1 a resistência da argamassa sob o efeito de confinamento. Este valores são provenientes desta pesquisa e de Khoo (7), McNary (8) e Mohamad (9). (a) (b) (c) (d) Figura 4 Envoltórias de ruína obtidas a partir de ensaios triaxiais de argamassa: (a) presente pesquisa; (b) Khoo (7) ; (c) McNary (8) e (d) Mohamad (9).

10 Figura 5 Relação entre as tensões principais no ensaio triaxial com argamassas de distintos traços. A obtenção das deformações nos ensaios triaxiais muitas vezes é afetada pelo sistema de instrumentação, devido ao atrito entre a membrana que envolve o corpode-prova e os extensômetros. Devido à pequena dimensão do corpo-de-prova, a probabilidade de que uma fissura ou região de esmagamento afete os valores obtidos pelos instrumentos é alta. Nestas análises, não foi possível determinar uma tendência bem definida em relação à variação do valor módulo de elasticidade com o aumento da tensão lateral. Contudo, o decréscimo do módulo de elasticidade é justificado, para as argamassas mais fracas, pelas fissuras que surgem já com a aplicação da tensão lateral, antes mesmo da aplicação da tensão vertical (Figura 6b). Os valores obtidos por Mohamad (9) apresentam tendência similar aos da presente análise experimental, já que com a primeira aplicação de tensão lateral identifica-se um aumento, seguido por uma tendência de decréscimo com aumentos seguintes da tensão de confinamento. (a) Figura 6 Variação do módulo de elasticidade das argamassas confinadas. (b)

11 O valor do coeficiente de Poisson apresenta decréscimo ao aumentar-se o nível de tensão lateral. A tendência do decréscimo é linear, contudo para a argamassa mais fraca, Khoo (7) obteve um decréscimo exponencial. A Figura 7 representa o comportamento geral do coeficiente de Poisson devido à variação das tensões confinantes. Figura 7 Variação do coeficiente de Poisson em relação às tensões laterais. 4. CONCLUSÕES A argamassa de assentamento para alvenaria sofre mudanças de suas propriedades mecânicas quando na forma de junta, uma vez que fica sujeita à perda de água para o bloco de concreto e ao efeito de confinamento ocasionado pela sua menor rigidez em relação às unidades. Essas mudanças nem sempre são quantificadas, nem levadas em consideração nas análises teóricas sobre estas estruturas. Apesar de poucos trabalhos tratarem este tema específico, foi possível agrupar resultados que permitem prever a qualidade e a ordem de grandeza de tais modificações. Em relação ao ensaio padrão com corpos-de-prova de argamassa, observaram-se mudanças da resistência à compressão, resistência à tração, módulo de elasticidade e coeficiente de Poisson, assim como a mudança das curvas tensãodeformação. A perda de água da argamassa provoca redução da relação água-cimento, o que acarreta o aumento da resistência à compressão. Esse aumento parece depender da resistência da argamassa, obtido por meio de ensaios padronizados. Aumento da resistência à tração e do módulo de elasticidade também são observados.

12 O aumento da pressão de confinamento acarreta também aumento da resistência à compressão da argamassa e modificação do comportamento da curva tensão-deformação, alterando ainda os valores do módulo de elasticidade e coeficiente de Poisson, modificando o modo de ruína da argamassa. A partir deste comportamento diferenciado é possível aprofundar os estudos nesta linha e realizar análises mais precisas em modelo já consagrados, por meio da adoção de alterações das propriedades mecânicas da argamassa. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FAPESP pelo financiamento à pesquisa concedido. 6. REFERÊNCIAS 1. GARCIA, P.D. Contribuições ao estudo da resistência à compressão de paredes de alvenaria de blocos cerâmicos. São Carlos, p. Dissertação (Mestrado). Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. 2. CASALI, J.M.; WEIDMANN, D.F.; PRUDÊNCIO Junior, L.R. Determinação da resistência da argamassa na junta de alvenaria estrutural por meio do ensaio de resistência à penetração de pino. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE TECNOLOGIA DE ARGAMASSAS, 6, 2005, Florianópolis. Anais. 3. BARBO, R.R.C.; HANAI, J.B; BARBOSA, C.S. Influência da absorção das unidades e do processo de cura nas propriedades mecânicas da argamassa de assentamento em alvenaria de blocos de concreto. In: JORNADAS SUDAMERICANAS DE INGENIERÍA ESTRUCTURAL, 31, 2004, Mendonza. Anais. 4. BARBOSA, C.S.; HANAI, J.B.; BARBO, R.C.C. Influência do processo de cura nas propriedades mecânicas da argamassa de assentamento para alvenaria estrutural. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE TECNOLOGIA DE ARGAMASSAS, 6, 2005, Florianópolis. Anais. 5. BARBOSA, C.S.; HANAI, J.B.; BARBO, R.C.C. Efeito da perda de água nas propriedades mecânicas da argamassa de assentamento para alvenaria estrutural de blocos de concreto. In: CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO, 47, 2005, Recife. Anais. 6. GUIMARÃES, T.A.C.; BARBOSA, C.S.; HANAI, J.B. Efeito da perda de água e do confinamento na argamassa de assentamento de blocos de concreto em alvenaria estrutural. In: CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO, 48, 2006, Rio de Janeiro. Anais.

13 7. KHOO, C.L. A failure criterion for brickwork in axial compression p. Thesis (Ph.D. Degree). University of Endiburgh, Endiburgh. 8. McNARY, W.S. Basic properties of clay-unit masonry in compression p. Thesis (M.Sc. Degree). University of Colorado, Colorado. 9. MOHAMAD, G. Comportamento mecânico na ruptura de blocos de concreto p. Dissertação (Mestrado). Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis.