AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA DO CONCRETO USANDO DIFERENTES ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS. Ana Catarina Jorge Evangelista

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1 AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA DO CONCRETO USANDO DIFERENTES ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS Ana Catarina Jorge Evangelista TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA CIVIL. Aprovada por: Prof. Ibrahim Abd El Malik Shehata, Ph.D. Profa. Lídia da Conceição Domingues Shehata, Ph.D. Prof. Roberto Caldas de Andrade Pinto, Ph.D. Prof. Giuseppe Barbosa Guimarães, Ph.D. Profa. Regina Ferreira de Souza, D.Sc. Prof. Ivan Ramalho de Almeida, D.Sc. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL JUNHO DE 2002

2 ii EVANGELISTA, ANA CATARINA JORGE Avaliação da Resistência do Concreto Usando Diferentes Ensaios Não Destrutivos [Rio de Janeiro] 2002 XX, 219 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, D.Sc., Engenharia Civil, 2002) Tese - Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE 1. Ensaios Não Destrutivos 2. Concreto I. COPPE/UFRJ II. Título ( série )

3 iii A Deus

4 iv AGRADECIMENTOS Aos professores Lídia da Conceição Domingues Shehata e Ibrahim Abd El Malik Shehata pela dedicação e orientação desta tese. Aos meus pais, amigos e familiares que sempre torceram por mim durante todos este anos. Em especial, agradeço ao meu marido Luis Carlos pelo apoio em todos os momentos da elaboração deste trabalho. Aos funcionários do laboratório de estruturas da COPPE / UFRJ. Aos funcionários do laboratório de materiais de construção da Escola Politécnica/UFRJ. À Holcim do Brasil pela doação de todo o cimento usado nesta pesquisa e pelo apoio técnico do Eng. Luiz Otávio Maia Cruz. À pedreira Vigné pela doação do agregado graúdo de traquito usado nesta pesquisa.

5 v Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Doutor em Ciências (D.Sc.) AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA DO CONCRETO USANDO DIFERENTES ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS Ana Catarina Jorge Evangelista Junho/2002 Orientadores: Ibrahim Abd El Malik Shehata Lídia da Conceição Domingues Shehata Programa: Engenharia Civil Este trabalho apresenta um estudo sobre a correlação entre a resistência à compressão do concreto e os valores obtidos por meio de ensaios não destrutivos: velocidade de propagação de ondas ultra-sônicas, índice esclerométrico, profundidade de penetração de pinos e maturidade. Os ensaios em 30 tipos de concreto foram feitos nas idades de 3, 7, 14, 28 e 90 dias, utilizando-se corpos de prova cilíndricos de 150mmx300mm, exceto no ensaio de penetração de pinos que foi realizado em corpos de prova prismáticos com dimensões de 200mmx200mmx600mm. É analisada a influência dos tipo e dimensão máxima de agregado, tipo de cimento e tipo de cura nas grandezas medidas nos ensaios não destrutivos, na resistência à compressão e nas curvas de correlação usadas para estimar a resistência à compressão do concreto. São propostas expressões para avaliar a resistência à compressão a partir das medições de um ou dois ensaios não destrutivos.

6 vi Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Science (D.Sc.) EVALUATION OF THE CONCRETE STRENGTH BY DIFERENT NON DESTRUCTIVE METHODS Ana Catarina Jorge Evangelista June/2002 Advisors: Ibrahim Abd El Malik Shehata Lídia da Conceição Domingues Shehata Department: Civil Engineering This work presents a study on the relationship between the compressive strength and non-destructive test method measurements : ultrasonic pulse velocity, rebound hammer, probe penetration and maturity. The tests for the 30 different types of concrete were carried out on cylinders (150mmx300mm), except the probe penetration that were carried out on blocks (200mmx200mmx600mm), at the ages of 3, 7, 14, 28 and 90 days. The effect of the type and maximum size of the coarse aggregate, the type of cement and the cure conditions on the non destructive measurements, on the compressive strength and on the relationship is analyzed. Expressions for the evaluation of the compressive strength from the measurements of one or two non-destructive tests are proposed.

7 vii ÍNDICE DO TEXTO Página 1 - INTRODUÇÃO MÉTODOS DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS GENERALIDADES FATORES QUE INFLUENCIAM A RESISTÊNCIA DO CONCRETO MÉTODOS PARA AVALIAÇÃO DE RESISTÊNCIA DO CONCRETO CORRELAÇÃO ENTRE A RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO E AS GRANDEZAS MEDIDAS NOS ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS 08 MÉTODOS ELETRÔNICOS, MAGNÉTICOS, NUCLEARES, RADIOATIVOS, EMISSÃO ACÚSTICA E PERMEABILIDADE Métodos magnéticos Métodos eletrônicos Métodos radioativos Métodos de emissão acústica Método eco-impacto Método da freqüência de ressonância Termografia infra-vermelho Ensaios de permeabilidade Métodos nucleares RADAR (Radio Detection and Ranging) MÉTODOS DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS PARA AVALIAR A RESISTÊNCIA DO CONCRETO MÉTODO DO ULTRA SOM Descrição do método Vantagens e limitações Aplicações Acurácia Fatores que influenciam os resultados do ensaio Condições da superfície Tipo e quantidade do agregado graúdo Proporções da mistura Tipo do cimento Temperatura Teor de umidade do concreto Presença de armaduras e fissuras Comprimento de propagação de onda, forma da peça e frequência do transdutor-emissor Normalização Recomendações quanto às curvas de calibração 37

8 viii MÉTODO DO ESCLERÔMETRO Descrição do método Vantagens e limitações Aplicações Acurácia Fatores que influenciam os resultados do ensaio Condições da superfície de ensaio Tipo e teor do cimento Tipo e dimensão do agregado graúdo Direção do ensaio Rigidez da peça ensaiada Tipo de cura e idade do concreto Normalização Recomendações quanto às curvas de calibração MÉTODO DE PENETRAÇÃO DE PINOS Descrição do método Vantagens e limitações Aplicações Acurácia Fatores que influenciam os resultados do ensaio Condições da superfície Tipo e dimensão máxima do agregado Variações na carga de pólvora Tipo de pino Normalização Recomendações quanto às curvas de calibração MÉTODO PULL - OFF Descrição do método Vantagens e limitações Aplicações Acurácia Fatores que influenciam os resultados do ensaio Tipo de concreto e método de ensaio Material e dimensão do disco Normalização Recomendações quanto às curvas de calibração MATURIDADE Descrição do método 63

9 ix Vantagens e limitações Aplicações Fatores que influenciam os resultados do ensaio Funções maturidade MÉTODOS COMBINADOS Método combinado de ultra-som e esclerometria Descrição do método Vantagens e limitações Aplicações Acurácia Equações propostas CONSIDERAÇÕES GERAIS PROGRAMA EXPERIMENTAL INTRODUÇÃO MATERIAIS UTILIZADOS Cimento Agregado graúdo Agregado miúdo Água DEFINIÇÃO DAS COMPOSIÇÕES Proporcionamento das composições dos concretos Composições dos concretos ensaiados MOLDAGEM E CURA DOS CORPOS DE PROVA NORMAS PARA ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS ENSAIOS REALIZADOS Ensaio de resistência à compressão Ensaio da velocidade de propagação de ondas ultra-sônicas Ensaio do índice esclerométrico Ensaio de penetração de pinos Ensaio de maturidade RESULTADOS OBTIDOS Ensaios de resistência à compressão Ensaio da velocidade de propagação de ondas ultra-sônicas Ensaio do índice esclerométrico Ensaio de penetração de pinos Ensaio de maturidade Considerações gerais ANÁLISE DOS RESULTADOS 126

10 x RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO Influência do tipo de agregado Influência da dimensão máxima do agregado Influência do tipo de cimento Influência do tipo de cura Análise estatística VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO DE ONDAS ULTRA-SÔNICAS Influência do tipo de agregado Influência da dimensão máxima do agregado Influência do tipo de cimento Influência do tipo de cura Análise estatística ÍNDICE ESCLEROMÉTRICO Influência do tipo de agregado Influência da dimensão máxima do agregado Influência do tipo de cimento Influência do tipo de cura Análise estatística PENETRAÇÃO DE PINOS Influência do tipo de agregado Influência da dimensão máxima do agregado Influência do tipo de cimento Análise estatística PARÂMETROS QUE INFLUENCIAM OS RESULTADOS DOS DIFERENTES ENSAIOS RELAÇÕES ENTRE AS GRANDEZAS MEDIDAS NOS ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS E A RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO Correlações entre resistência à compressão e velocidade de propagação de ondas ultra-sônicas Correlações entre resistência à compressão e índice esclerométrico Correlações entre resistência à compressão e penetração de pinos Correlações entre resistência à compressão e maturidade Considerações gerais MÉTODOS COMBINADOS Relação entre fc, V e I.E Relação entre fc, V e L p Relação entre fc, L p e I.E Considerações gerais CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA ESTUDOS FUTUROS 199 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 202 ANEXO I - COMPOSIÇÕES 210

11 xi ANEXO II ANÁLISE ESTATÍSTICA 212 ANEXO III ENSAIO DE PULL-OFF 214 ANEXO IV MEDIÇÕES DE TEMPERATURA 215 ANEXO V INTERVALOS DE CONFIANÇA 217

12 xii ÍNDICE DE FIGURAS Página Figura 2.1- Exemplo de curva de correlação para estimar a resistência 09 Figura 2.2- Disposição do equipamento para determinação do módulo de elasticidade dinâmico por vibração longitudinal 14 Figura 3.1- Tipos de transmissão no ensaio de ultra-som 19 Figura 3.2- Influência do tipo de agregado na relação entre V.P.U.S. e resistência à compressão do concreto 23 Figura 3.3- Influência da dimensão máxima do agregado na relação entre V.P.U.S. e resistência à compressão 25 Figura 3.4- Relações entre V.P.U.S. e resistência à compressão de concretos com composições diferentes e ensaiados em diferentes idades 26 Figura 3.5- Relação entre V.P.U.S., resistência à compressão e idade para concretos com teores e tipos de cimento e temperatura de cura diferentes 28 Figura 3.6- Influência de barras transversais ao percurso da onda 31 Figura 3.7- Influência de barras paralelas ao percurso da onda 32 Figura 3.8- Fatores de correção para barras transversais e longitudinais 33 Figura 3.9- Esquema do ensaio de esclerometria 40 Figura Influência do tipo de agregado na relação entre f c e I.E. 44 Figura Influência do tipo de agregado na relação entre f c e comprimento exposto 54 Figura Representação esquemática do ensaio de pull-off : (a) Ensaio superficial, (b) Ensaio com corte parcial da superfície 58 Figura Relação entre resistência à compressão e maturidade 69 Figura 4.1- Curva granulométrica dos agregados 85 Figura 4.2- Variação de f c com o tempo para série M1 96 Figura 4.3- Variação de f c com o tempo para série M2 96 Figura 4.4- Variação de f c com o tempo para série M3 96 Figura 4.5- Variação de f c com o tempo para série M4 97 Figura 4.6- Variação de f c com o tempo para série M5 97 Figura 4.7- Relação f c,j /f c,28 em função da idade para série M1 98 Figura 4.8- Relação f c,j /f c,28 em função da idade para série M2 98 Figura 4.9- Relação f c,j /f c,28 em função da idade para série M3 98 Figura Relação f c,j /f c,28 em função da idade para série M4 99 Figura Relação f c,j /f c,28 em função da idade para série M5 99 Figura Variação de V com o tempo para série M1 102 Figura Variação de V com o tempo para série M2 102 Figura Variação de V com o tempo para série M3 102 Figura Variação de V com o tempo para série M4 103 Figura Variação de V com o tempo para série M5 103 Figura Relação V j /V 28 em função da idade para série M1 104 Figura Relação V j /V 28 em função da idade para série M2 104

13 xiii Figura Relação V j /V 28 em função da idade para série M3 104 Figura Relação V j /V 28 em função da idade para série M4 105 Figura Relação V j /V 28 em função da idade para série M5 105 Figura Variação do índice esclerométrico com o tempo na série M1 108 Figura Variação do índice esclerométrico com o tempo na série M2 108 Figura Variação do índice esclerométrico com o tempo na série M3 108 Figura Variação do índice esclerométrico com o tempo na série M4 109 Figura Variação do índice esclerométrico com o tempo na série M5 109 Figura Relação IE j /IE 28 em função da idade para série M1 110 Figura Relação IE j /IE 28 em função da idade para série M2 110 Figura Relação IE j /IE 28 em função da idade para série M3 110 Figura Relação IE j /IE 28 em função da idade para série M4 111 Figura Relação IE j /IE 28 em função da idade para série M5 111 Figura Variação da profundidade de penetração com o tempo série M1 114 Figura Variação da profundidade de penetração com o tempo série M2 114 Figura Variação da profundidade de penetração com o tempo série M3 114 Figura Variação da profundidade de penetração com o tempo série M4 115 Figura Relação L pj /L p28 em função da idade para série M1 116 Figura Relação L pj /L p28 em função da idade para série M2 116 Figura Relação L pj /L p28 em função da idade para série M3 116 Figura Relação L pj /L p28 em função da idade para série M4 117 Figura Maturidade em função do tempo para a série M1 120 Figura Maturidade em função do tempo para a série M2 120 Figura Maturidade em função do tempo para a série M3 120 Figura Maturidade em função do tempo para a série M4 121 Figura Maturidade em função do tempo para a série M5 121 Figura Relação M j /M 28 em função da idade para a série M1 122 Figura Relação M j /M 28 em função da idade para a série M2 122 Figura Relação M j /M 28 em função da idade para a série M3 122 Figura Relação M j /M 28 em função da idade para a série M4 123 Figura Relação M j /M 28 em função da idade para a série M5 123 Figura 5.1- Influência do agregado em f c dos concretos com a/c=0, Figura 5.2- Influência do agregado em f c dos concretos com a/c=0, Figura 5.3- Influência do agregado em f c dos concretos com a/c=0, Figura 5.4- Influência do agregado em f c dos concretos com a/c=0, Figura 5.5- Influência do agregado em f c dos concretos com a/c=0, Figura 5.6- Influência do agregado em f c dos concretos com a/c=0, Figura 5.7- Influência do D máx do agregado em f c dos concretos com a/c=0,65 130

14 xiv Figura 5.8- Influência do D máx do agregado em f c dos concretos com a/c=0, Figura 5.9- Influência do D máx do agregado em f c dos concretos com a/c=0, Figura Influência do D máx do agregado em f c dos concretos com a/c=0, Figura Influência do D máx do agregado em f c dos concretos com a/c=0, Figura Influência do D máx do agregado em f c dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento em f c dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento em f c dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento em f c dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento em f c dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento em f c dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento em f c dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de agregado em V dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de agregado em V dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de agregado em V dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de agregado em V dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de agregado em V dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de agregado em V dos concretos com a/c=0, Figura Influência do D máx do agregado em V dos concretos com a/c=0, Figura Influência do D máx do agregado em V dos concretos com a/c=0, Figura Influência do D máx do agregado em V dos concretos com a/c=0, Figura Influência do D máx do agregado em V dos concretos com a/c=0, Figura Influência do D máx do agregado em V dos concretos com a/c=0, Figura Influência do D máx do agregado em V dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento em V dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento em V dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento em V dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento em V dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento em V dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento em V dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de agregado no I.E. dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de agregado no I.E. dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de agregado no I.E. dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de agregado no I.E. dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de agregado no I.E. dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de agregado no I.E. dos concretos com a/c=0, Figura Influência do D máx. do agregado no I.E. dos concretos com a/c=0, Figura Influência do D máx. do agregado no I.E. dos concretos com a/c=0, Figura Influência do D máx. do agregado no I.E. dos concretos com a/c=0,55 148

15 xv Figura Influência do D máx. do agregado no I.E. dos concretos com a/c=0, Figura Influência do D máx. do agregado no I.E. dos concretos com a/c=0, Figura Influência do D máx. do agregado no I.E. dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento no I.E. dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento no I.E. dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento no I.E. dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento no I.E. dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento no I.E. dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento no I.E. dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de agregado no valor de L p dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de agregado no valor de L p dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de agregado no valor de L p dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de agregado no valor de L p dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de agregado no valor de L p dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de agregado no valor de L p dos concretos com a/c=0, Figura Influência da D máx. do agregado no valor de L p dos concretos com a/c=0, Figura Influência da D máx. do agregado no valor de L p dos concretos com a/c=0, Figura Influência da D máx. do agregado no valor de L p dos concretos com a/c=0, Figura Influência da D máx. do agregado no valor de L p dos concretos com a/c=0, Figura Influência da D máx. do agregado no valor de L p dos concretos com a/c=0, Figura Influência da D máx. do agregado no valor de L p dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento no valor de L p dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento no valor de L p dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento no valor de L p dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento no valor de L p dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento no valor de L p dos concretos com a/c=0, Figura Influência do tipo de cimento no valor de L p dos concretos com a/c=0, Figura Correlações entre f c e V para as séries M1, M3 e M5 166 Figura Correlações entre f c e V para as séries M1 e M2 166 Figura Correlações entre f c e V para as séries M1 e M4 166 Figura Comparações de correlações entre f c e V propostas neste 168 trabalho e as de outros autores Figura Correlações entre f c e I.E. para as séries M1, M3 e M5 170 Figura Correlações entre f c e I.E. para as séries M1 e M2 170

16 xvi Figura Correlações entre f c e I.E. para as séries M1 e M4 172 Figura Comparações de correlações entre f c e I.E. propostas neste trabalho e as de outros autores 172 Figura Correlações entre f c e L p para as séries M1 e M3 173 Figura Correlações entre f c e L p para as séries M1 e M2 173 Figura Correlações entre f c e L p para as séries M1 e M4 173 Figura Comparações de correlações entre fc e Lp propostas neste trabalho e as de outros autores 175 Figura Relações entre f c e M para concretos da série M1 177 Figura Relações entre f c e M para concretos da série M2 177 Figura Relações entre f c e M para concretos da série M3 177 Figura Relações entre f c e M para concretos da série M4 177 Figura Relações entre f c e M para concretos da série M5 177 Figura Relações entre f c e M para concretos com relação a/c=0, Figura Relações entre f c e M para concretos com relação a/c=0, Figura Relações entre f c e M para concretos com relação a/c=0, Figura Relações entre f c e M para concretos com relação a/c=0, Figura Relações entre f c e M para concretos com relação a/c=0, Figura Relações entre f c e M para concretos com relação a/c=0, Figura Correlação múltipla proposta entre f c, I.E. e V para as séries M1,M2,M3, de concretos com agregado britado e CP III 184 Figura Correlação múltipla proposta entre f c, I.E. e V para a série M4 de concretos com CP V 185 Figura Correlação múltipla proposta entre f c, I.E. e V para a série M5 de concretos leves 186 Figura Ábacos propostos para estimar a resistência à compressão de concretos convencionais com cimento CP III por meio da combinação de I.E. e V 187 Figura Ábacos propostos para estimar a resistência à compressão de concretos convencionais com cimento CP V por meio da combinação de I.E. e V. 187 Figura Ábacos para estimar a resistência à compressão de concretos leves por meio da combinação de I.E. e V 188 Figura Correlação múltipla proposta entre f c, L p e V para as séries M1,M2,M3 de concretos de agregado graúdo britado e CP III 190 Figura Correlação múltipla proposta entre f c, L p e V para a série M4 de concretos de CP V 191 Figura5.104 Ábacos propostas para estimar a resistência à compressão de concretos convencionais com cimento CP III por meio da combinação de V e L p 192 Figura5.105 Ábacos propostas para estimar a resistência à compressão de concretos convencionais com cimento CP V por meio da combinação de V e L p 192 Figura5.106 Correlação múltipla proposta entre f c, L p e I.E para as séries M1,M2,M3 de concretos com agregados graúdos britados e CP III 195 Figura5.107 Correlação múltipla proposta entre f c, L p e I.E para a série M4 de concretos com CP V 196 Figura5.108 Estimativa de resistência à compressão de concretos convencionais com cimento CP III por meio da combinação de I.E. e L p 197

17 xvii Figura5.109 Estimativa de resistência à compressão de concretos convencionais com cimento CP V por meio da combinação de I.E. e Lp 197

18 xviii ÍNDICE DE TABELAS Tabela 2.1- Comparação entre a resistência em sito e em cubo - padrão 06 Página Tabela 2.2- Número de medições para cada local de ensaios 11 Tabela 3.1- Intervalos de velocidade de ondas ultra-sônicas para alguns tipos de rocha 24 Tabela 3.2- Recomendação da RILEM para frequência mínima do transdutor emissor de acordo com as dimensões da peça 35 Tabela 3.3- Comparação entre procedimentos de normas para ensaio de ultra-som 36 Tabela 3.4- Comparação entre procedimentos de normas para ensaio esclerométrico 47 Tabela 3.5- Comparação entre procedimentos de normas para ensaio de resistência à penetração de pinos 56 Tabela 3.6- Constatações quanto aos fatores que influenciam os resultados do ensaio de ultra-som 77 Tabela 3.7- Constatações quanto aos fatores que influenciam os resultados do ensaio esclerométrico 78 Tabela 3.8- Constatações quanto aos fatores que influenciam os resultados do ensaio de penetração de pinos 79 Tabela 4.1- Análise física e química dos cimento CP III 32 e cimento CPV 82 Tabela 4.2- Granulometria dos Agregados Graúdos 84 Tabela 4.3- Características da Argila Expandida 84 Tabela 4.4- Granulometria do Agregado Miúdo 85 Tabela 4.5- Composições por m3 de concreto 87 Tabela 4.6- Definição da amostragem para cada composição 88 Tabela 4.7- Resultados de fc e fc,j/fc,28 para todos os concretos 95 Tabela 4.8- Resultados de Vj e Vj / V28 para todos os concretos 101 Tabela 4.9- Resultados de IEj e IEj / IE28 para todos os concretos 107 Tabela Resultados de Lp e Lp j/ Lp28 para todos os concretos 113 Tabela Resultados de Mj e Mj/ M28 para todos os concretos 119 Tabela Faixa de variação dos resultados das diferentes séries de concretos 125 Tabela 5.1- Relações entre as resistências dos concretos submetidos aos tipos de cura 1 e Tabela 5.2- Valores obtidos na análise estatística dos resultados do ensaio de resistência à compressão 135 Tabela 5.3- Relações entre valores de Vj dos concretos submetidos aos dois tipos de cura 143 Tabela 5.4- Resultados obtidos na análise estatística dos valores de V.P.U.S. 144 Tabela 5.5- Relações entre os valores de I.E.j de concretos submetidos aos dois tipos de cura 152 Tabela 5.6- Resultados obtidos na análise estatística dos valores de I.E. 153 Tabela 5.7- Resultados obtidos na análise estatística dos valores de Lp 160 Tabela 5.8- Parâmetros que influenciam significativamente os resultados dos ensaios realizados 160 Tabela 5.9- Coeficientes de determinação (r2) obtidos no estudo de regressão dos dados das séries M1, M2, M3, M4, e M5 161 Tabela Equações de outros autores para correlação entre fc e V 162

19 xix Tabela Equações de outros autores para correlação entre fc e IE 163 Tabela Equações de outros autores para correlação entre fc e Lp 164 Tabela Equações propostas para relacionar fc com V 167 Tabela Equações propostas para relacionar fc e I.E. 171 Tabela Equações propostas para relacionar fc com Lp 174 Tabela Coeficientes de determinação (r 2 ) obtidos no estudo de regressão dos dados das séries M1, M2, M3 agrupados 180 Tabela Resultados da regressão múltipla para as séries (M1, M2, M3), M4 e M5 182 Tabela Equações de outros autores para correlação entre fc, V e I.E. 183 Tabela Equações propostas para relacionar fc com V e I.E. 183 Tabela Resultados da regressão múltipla para as séries (M1, M2, M3) e M4 189 Tabela Equações propostas para relacionar fc com V e Lp 190 Tabela Dados do estudo de regressão múltipla nas séries M1, M2, M3 e M4 combinação I.E e Lp 194 Tabela Equações propostas para relacionar fc com I.E. e Lp 194 Tabela Maiores coeficientes de determinação obtidos nas regressões simples e nas regressões múltiplas 198

20 xx LISTA DE SÍMBOLOS D máx dimensão máxima do agregado E energia de ativação E d módulo de elasticidade dinâmico f c resistência do concreto à compressão obtida em corpos de prova-padrão f c,is resistência do concreto à compressão em sito f cj resistência do concreto à compressão na idade de j dias f ck resistência característica do concreto à compressão f cx resistência à compressão numa determinada maturidade IE índice esclerométrico L p comprimento de penetração M fator temperatura - tempo R constante universal de gás (8,314 J/Kmol) T temperatura do concreto no intervalo de tempo t t e idade equivalente na temperatura de referência T i temperatura durante o intervalo t i T o temperatura a partir da qual não ocorre mais a hidratação do cimento T r temperatura de referência do concreto V velocidade de propagação de ondas ultra-sônicas V s velocidade de propagação ultra-sônica no aço ν coeficiente de Poisson dinâmico ρ massa específica

21 1 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO Comumente são feitos ensaios de resistência à compressão aos 28 dias em cilindros (ou cubos) para verificar se o concreto está de acordo com o exigido pelo projeto. No entanto, os corpos de prova não são verdadeiramente representativos do concreto existente na estrutura, devido às diferentes condições de lançamento, compactação e condições de cura. Segundo Malhotra(1984), nos últimos 40 anos têm sido feitas várias tentativas quanto ao desenvolvimento de métodos de ensaio em sito não destrutivos, para assegurar a qualidade do concreto na estrutura. Os métodos disponíveis podem ser classificados em : métodos para determinar algumas propriedades do concreto que possibilitam uma estimativa de sua resistência, módulo de elasticidade e durabilidade; métodos onde são detectados posição e tamanho das armaduras, vazios, fissuras, falhas de concretagem, e teor de umidade do concreto em loco. Esses métodos são relevantes não só para o caso de estruturas executadas já há algum tempo, que apresentam problemas e têm que ser reparadas e/ou reforçadas, mas também para o caso de estruturas novas ou ainda em execução (ensaios de aceitação). Tem-se verificado uma vasta aplicação dos ensaios em sito em diversos países, assim como um grande número de pesquisas nesta área, visando a obtenção de resultados mais confiáveis nas investigações das propriedades do concreto das estruturas. O sucesso da utilização dos ensaios em sito depende, além do conhecimento e da experiência do profissional que realiza os ensaios, das curvas adotadas para correlacionar as medições do ensaio com a resistência do concreto. Essas curvas dependem de vários fatores, alguns dos quais estão relacionados com a

22 2 própria resistência do concreto, tais como condições de cura, relação água/cimento, idade. Outros fatores são próprios do tipo e da metodologia de ensaio. Na literatura técnica internacional encontram-se trabalhos de vários autores nos quais apresentam-se correlações entre a resistência do concreto e resultados de ensaios não destrutivos, e também normas de realização desses ensaios (ASTM, RILEM, BSI, por exemplo). No Brasil, ainda são poucos os estudos sobre este tema e nem todos os ensaios não destrutivos empregados têm seus procedimentos de realização normalizados pela ABNT. Tem-se, portanto, uma grande necessidade de desenvolvimento de trabalhos e de formação de mão de obra qualificada nesta área, objetivando análise adequada das estruturas de concreto produzidas com os materiais disponíveis no mercado nacional. Neste trabalho, verifica-se quais os pontos comuns e discordantes entre os estudos publicados sobre alguns ensaios não destrutivos, e também as recomendações das normas técnicas internacionais e nacionais. Desta forma, constata-se quais os fatores relevantes que devem ser considerados para que sejam feitas curvas de correlação simples e múltipla entre a resistência à compressão do concreto e as grandezas medidas nos ensaios não destrutivos para concretos feitos com materiais disponíveis no mercado do Rio de Janeiro. O programa experimental compreende ensaios utilizando os métodos de velocidade de propagação de ondas ultra-sônicas, esclerometria, penetração de pinos e pull-off e maturidade, em corpos de prova de concretos onde são variados alguns parâmetros que podem influir nos resultados dos ensaios. Esses parâmetros são, além da relação água/cimento, tipo e dimensão máxima do agregado graúdo, tipo de cimento e tipo de cura. Nas trinta diferentes composições de concreto empregadas, é mantido constante o volume de agregado graúdo e o de água, variando-se as quantidades de cimento e agregado miúdo. O relato do trabalho desenvolvido está organizado em 6 capítulos. No capítulo 2 faz-se uma abordagem geral dos métodos de ensaios não destrutivos usados para

23 3 avaliar a resistência à compressão do concreto e de métodos empregados para obter outros dados relevantes das estruturas de concreto. No capítulo 3 apresenta-se a revisão bibliográfica sobre os métodos de ensaios que são empregados nesta pesquisa. O programa experimental encontra-se descrito no capítulo 4. O capítulo 5 apresenta a análise dos resultados obtidos e as curvas de correlação propostas. As conclusões do trabalho realizado e sugestões para estudos futuros estão no capítulo 6. No anexo I são dadas as composições de todos os concretos; no anexo II constam definições do que é empregado na análise estatística. Gráficos de resultados de ensaio pull-off realizados em estudo preliminar são apresentados no anexo III e curvas típicas de temperatura do concreto com o tempo no anexo IV. Apresenta-se no anexo V os gráficos do estudo de intervalos de confiança.

24 4 CAPÍTULO 2 MÉTODOS DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS 2.1 GENERALIDADES Dentre as propriedades do concreto que podem ser avaliadas por meio de ensaios não destrutivos, tem-se: massa específica, módulo de elasticidade e resistência. Ainda podem ser investigadas a dureza superficial, absorção, permeabilidade, condições de umidade, e também a localização das armaduras, existência de vazios e fissuração. Os ensaios considerados não destrutivos são aqueles que não causam nenhum dano no elemento ensaiado ou deixam pequenos danos para serem reparados após o ensaio. Eles não provocam perda na capacidade resistente do elemento. Estes ensaios podem ser utilizados em estruturas novas ou antigas. No caso de estruturas novas, eles podem ser empregados para monitoramento da evolução da resistência ou para esclarecer dúvidas sobre a qualidade do concreto. Os ensaios em estruturas já existentes visam avaliar a sua integridade e capacidade de resistir às solicitações. Os métodos não destrutivos são convenientes para (BS1881:Part201, 1986): controle tecnológico em pré-moldados ou construções em sito; aceitação, ou não, de materiais fornecidos; esclarecimento de dúvidas a respeito da mão de obra envolvida em mistura, lançamento, compactação ou cura do concreto, transporte; monitoramento do desenvolvimento da resistência visando remoção de fôrmas, duração da cura, aplicação de protensão ou de cargas, remoção de escoramento; localização e determinação da extensão de fissuras, vazios e falhas de concretagem;

25 5 determinação da posição, diâmetro ou condições das armaduras; determinação da uniformidade do concreto; aumento do nível de confiança de um pequeno número de ensaios destrutivos; verificar a deterioração do concreto resultante de sobrecarga, fadiga, fogo, ataque do meio ambiente; avaliação do potencial de durabilidade do concreto; monitoramento de mudanças das propriedades do concreto ao longo do tempo; fornecimento de informações para que se verifique se é possível mudar a utilização de uma estrutura. Carlsson et al (1984) relatam que os ensaios em sito realizados durante a execução de uma estrutura são aplicáveis : na determinação do tempo certo para remoção de fôrmas durante o inverno; quando não se tem certeza das condições de cura; no controle dos efeitos de aditivos químicos ou membranas plásticas que auxiliam a cura. 2.2 FATORES QUE INFLUENCIAM A RESISTÊNCIA DO CONCRETO Os principais fatores que influenciam a resistência do concreto são (Almeida, 1990, Metha e Monteiro, 1994, Coutinho e Gonçalves, 1994, Neville,1997) : propriedades dos componentes: cimento, agregados, aditivos químicos e adições minerais; proporções dos componentes: relação água/cimento, e relação agregado/cimento; condições de cura e idade. A resistência do concreto das estruturas é controlada por meio de ensaios de corpos de prova cilíndricos ou cúbicos, sendo estes moldados, curados e rompidos de

26 6 acordo com as normas técnicas de cada país. No entanto, sabe-se que as propriedades do concreto em sito variam de acordo com o elemento estrutural (laje, viga, pilar), devido principalmente às diferenças de compactação, cura e exudação, sendo a resistência do concreto na estrutura menor do que a obtida de ensaios em corpos de prova - padrão. Bungey (1989) apresenta a tabela 2.1 com valores comparativos entre a resistência em sito obtida por extração de testemunhos e corrigida para representar a resistência obtida em cubos, e a resistência de corpos de prova moldados (cúbicos). O autor cita que, de um modo geral, estes valores podem ser considerados como típicos, pois existem trabalhos publicados onde verificou-se a resistência obtida em sito mais próxima da obtida em corpos de prova-padrão. Tabela 2.1 Comparação entre a resistência em sito e em cubo - padrão (Bungey, 1989) Relação entre a resistência obtida em testemunhos e de Elemento estrutural corpos de prova padrão, aos 28 dias Média Intervalo Pilar 65% 55% - 75% Parede 65% 45% - 95% Viga 75% 60% - 100% Laje 50% 40% - 60% De acordo com Bartlett e MacGregor (1996), a resistência à compressão do concreto na estrutura deve ser analisada levando-se em consideração as seguintes relações: r 1 = relação entre a resistência média de corpos de prova padrão (cilindros) e a resistência característica do concreto aos 28 dias;

27 7 r 2 = relação entre a resistência média obtida em sito e a resistência média de corpos de prova - padrão (cilindros) aos 28 dias. A relação r 1 refere-se à qualidade do material produzido para uma determinada resistência do concreto, que é verificada por meio de corpos de prova moldados, curados, capeados e ensaiados de acordo com as normas técnicas. O valor de r 2 depende do tamanho e do tipo de elemento estrutural. Desta forma a relação entre a resistência do concreto na estrutura (f c,is ) e a resistência característica (f ck ) pode ser obtida por meio da equação 1: f c,is =r 1 x r 2 (f ck ) (1) Para obter a relação r 2, Bartlett e MacGregor (1996) utilizaram testemunhos extraídos entre o topo e a base de diferentes elementos estruturais, tais como pilares, paredes, blocos. Também foram extraídos testemunhos de laje. A média da resistência obtida em sito aos 28 dias foi cerca de 95% da resistência de cilindrospadrão aos 28 dias para vigas e lajes, e 103% para elementos mais altos, como pilares, paredes e blocos. Segundo Bartlett e MacGregor (1999), as variações da resistência em sito de uma estrutura de concreto devem-se às : variações inerentes a cada betonada, variações entre betonadas, variações próprias de cada elemento estrutural e variações entre os elementos estruturais. A variação entre betonadas pode aumentar a variação da resistência do elemento estrutural se cada um for moldado empregando-se várias betonadas, ou aumentar a variação entre elementos se cada um for moldado com uma única betonada. Assim, para uma avaliação global da resistência do concreto numa estrutura é necessário conhecer o número de betonadas representadas pela amostragem de cada local selecionado.

28 8 2.3 MÉTODOS PARA AVALIAÇÃO DE RESISTÊNCIA DO CONCRETO Para que os métodos de ensaio em sito sejam utilizados para avaliar a resistência do concreto, são necessárias curvas de correlação entre os resultados destes ensaios e a resistência à compressão do concreto. Geralmente, os fabricantes dos equipamentos para estes ensaios fornecem estas curvas, porém estas são desenvolvidas usando materiais disponíveis no país deste fabricante, e, ao serem empregadas numa localidade onde há outros tipos de materiais, a resistência pode ser avaliada com erros consideráveis. O procedimento mais adequado é determinar curva de calibração própria para o concreto sob investigação, e a cada mudança no fornecimento de materiais determinar nova curva (Malhotra, 1984). Os ensaios não destrutivos não são substitutos dos ensaios de resistência à compressão em corpos de prova-padrão (Malhotra, 1984) CORRELAÇÃO ENTRE A RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO E AS GRANDEZAS MEDIDAS NOS ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS Para estimar a resistência à compressão do concreto torna-se necessário conhecer a relação entre os resultados dos ensaios em sito e a resistência do concreto, obtida a partir de curvas determinadas empiricamente. Um exemplo de curva de correlação é dado na figura 2.1.

29 9 Figura 2.1 Exemplo de curva de correlação para estimar a resistência (ACI 228.1R,1989). De acordo com o comitê 228 do ACI (ACI 228.1R 1989), a curva de correlação é feita usando-se corpos de prova-padrão (cilindros ou cubos), porém também podese utilizar testemunhos para obtenção da resistência à compressão do concreto. Antes de empregar o ensaio não destrutivo no campo, é recomendável estabelecer a correlação por meio de um programa de ensaios no laboratório. Este programa de ensaios envolve a preparação dos corpos de prova, usando os mesmos materiais do concreto que serão empregados na obra. Para alguns ensaios não destrutivos é possível realizar no corpo de prova primeiramente o ensaio não destrutivo e, em seguida, o ensaio para obter a resistência à compressão. No entanto, na maioria dos casos, os ensaios são realizados em separado, tendo-se corpos de prova distintos para os ensaios de resistência à compressão e para os ensaios não destrutivos. É, entretanto, extremamente importante que ambos os grupos de corpos de prova tenham mesmas condições de compactação e maturidade. As condições de cura devem assegurar que a temperatura interna desenvolvida nos corpos de prova seja similar (ACI 228.1R,1989). Para interpretar resultados de ensaios não destrutivos, deve-se considerar a condição dos corpos de provas, se molhados ou secos, pois nos ensaios em corpos

30 10 de provas secos a resistência obtida é cerca de 10% a 15% maior. Assim, é importante que se conheça em que circunstância uma determinada curva de correlação foi obtida (Bungey, 1989). O comitê 228 do ACI (ACI 228.1R 1989) recomenda que a curva de correlação seja feita a partir de no mínimo 6 níveis de resistência, sendo que estes níveis podem ser relativos a um mesmo concreto ensaiado em idades diferentes. Para que os ensaios não destrutivos e os de resistência à compressão apresentem o mesmo grau de confiança, pode-se adotar a seguinte relação : n n nd c δ nd = δ c 2 (2) onde n nd = número de ensaios não destrutivos; n c = número de ensaios de resistência à compressão; δ nd = coeficiente de variação dos ensaios não destrutivos; δ c = coeficiente de variação dos ensaios de resistência à compressão. A tabela 2.2 apresenta o número de medições individuais a serem consideradas na obtenção do valor médio do ensaio em sito em cada local a ser avaliado, segundo diferentes fontes.

31 11 Tabela 2.2 Número de medições para cada local de ensaios Ensaio em sito ACI228.1R-89* BS 1881: Part207,1992 Bungey,1989 Extração de testemunhos 3-3 Esclerometria Ultra-som 5-1 Resistência à penetração Pull-out Pull-off * Número de medições necessárias para que seja obtido o mesmo grau de confiança do ensaio de resistência à compressão ensaiando-se 2 corpos de prova cilíndricos. Para o ensaio de pull-out, Khoo(1984) recomenda o uso de 6 chumbadores para cada 50 m 3 de concreto. 2.5 MÉTODOS ELETRÔNICOS, MAGNÉTICOS, NUCLEARES, RADIOATIVOS, EMISSÃO ACÚSTICA E PERMEABILIDADE Ao se avaliar as condições de uma estrutura de concreto, além da resistência do concreto, outras informações obtidas em sito podem ser necessárias : posição, diâmetro e condições das armaduras (nível de corrosão), teor de umidade, ocorrência de fissuras e descontinuidade, e a localização de falhas e vazios no concreto (Malhotra,1984). Os métodos mencionados a seguir são usados para conseguir estas informações Métodos magnéticos Existem instrumentos comercialmente disponíveis que podem detectar a posição das armaduras dentro do concreto. Os aparelhos baseiam-se no princípio de que a presença do aço afeta um campo eletromagnético. Eles dão informações sobre o cobrimento, o diâmetro e a localização das armaduras (Malhotra,1984, ACI- 364,1993, Metha e Monteiro, 1994).

32 12 Esses equipamentos são portáteis e apresentam bons resultados quando o concreto é pouco armado. No caso de elementos muito armados, o efeito da armação secundária não pode ser eliminado, dificultando uma determinação satisfatória do cobrimento (Malhotra,1984, ACI-364,1993) Métodos eletrônicos Os métodos eletrônicos têm sido usados em estruturas de concreto para investigar corrosão das armadura, espessura de lajes e o teor de umidade do concreto endurecido (Malhotra,1984, ACI-364,1993). A avaliação do estado das armaduras com relação à corrosão é feita por meio da estimativa do potencial elétrico da armadura em relação ao eletrodo de referência (Malhotra,1984). O método de determinação da espessura das lajes baseia-se no princípio de que o material sujeito ao ensaio oferece resistência à passagem da corrente elétrica que passa através dele (Malhotra,1984). O fundamento adotado para estimar o teor de umidade do concreto é que a condutividade do concreto muda com a mudança do teor de umidade. (Malhotra,1984, ACI-364,1993) Métodos radioativos Os métodos radioativos compreendem a radiografia e a radiometria. Existem 3 métodos para serem usados nos ensaios de concreto : radiografia com raio-x, radiografia com raio-γ e radiometria com raio-γ (Bungey, 1989). Por meio da radiografia é obtida a imagem do interior do concreto empregandose uma fonte radioativa para revelar a posição e as condições das armaduras, dos vazios, das segregações, do grauteamento nas bainhas nos elemento protendidos, e das fissuras.

33 13 No caso da radiometria, raios-γ gerados pelo radioisotope passam através do concreto, e a intensidade da radiação emergente é detectada pelo scintillation counter e medida por um equipamento eletrônico. As medições são obtidas pela radiação que passa pela massa de concreto, ou por meio da radiação que é refletida na mesma superfície pela colisão dos eletrons dentro do concreto. Em ambos os casos, a massa por unidade de área do concreto é a propriedade que tem maior influência na atenuação do fluxo dos raios, e também no valor da radiação. Por meio deste método pode ser obtida a densidade do concreto, a espessura do elemento, e a presença de armadura (Molhotra,1984, BS1881:Part201, 1986). A radiografia com raio X tem sérias limitações devido ao custo elevado e ao equipamento de alta voltagem, não sendo muito apropriado para as aplicações em loco, mas de grande valor em laboratório. O equipamento de raio-γ é portátil e mais apropriado para ser usado em sito. O equipamento usado na radiometria com raio-γ é portátil e de fácil utilização em sito (Malhotra,1984, BS1881:Part201, 1986, Bungey, 1989) Métodos de emissão acústica Nos últimos anos este método tem sido usado nas investigações da iniciação e do crescimento de fissura no concreto sob tensão. Emissões acústicas são ondas de pequena amplitude geradas por deformações localizadas em pontos do concreto que estão além do seu limite elástico (Malhotra,1984). Durante o crescimento das fissuras ou deformação plástica, a liberação rápida da energia de deformação produz ondas acústicas que podem ser detectadas por sensores em contato com a superfície do elemento ensaiado (ACI-364,1993).

34 Método Eco-Impacto Técnicas de reflexão de pulsos são usadas principalmente nas análises de ondas que contornam os vazios e descontinuidades internas do concreto. A reflexão pode ser gerada por golpes de martelo ou por outros meios mecânicos (Malhotra,1984, ACI-364,1993). A vantagem deste ensaio é que pode ser realizado quando apenas uma face da superfície do concreto está disponível. Porém, a interpretação das ondas refletidas no osciloscópio não é fácil e depende da experiência do operador (Malhotra,1984) Método da Freqüência de Ressonância Neste método determina-se a freqüência fundamental de ressonância do corpo de prova, podendo-se calcular o módulo de elasticidade dinâmico do concreto. A vibração pode ser aplicada em modo longitudinal, transversal ou torsional. A figura 2.2 apresenta o esquema de ensaio, onde o emissor é ativado por um oscilador de frequência variável num intervalo de 10Hz a Hz. O coletor recebe as vibrações amplificadas e sua amplitude é medida por um indicador adequado (Neville, 1997) Figura 2.2 Disposição do equipamento para determinação do módulo de elasticidade dinâmico por vibração longitudinal (Neville, 1997)

35 Termografia Infra-vermelho Por meio deste ensaio são medidas e gravadas emissões de calor da estrutura. Como a taxa de emissão de calor é influenciada pelas fissuras e outras descontinuidades, os scanners mostraram a diferença entre a emissão de calor dos concretos sem e com descontinuidades (Malhotra,1984, ACI-364,1993, Bungey, 1989). Este método têm sido usado para determinar deteriorações em chaminés e tabuleiros de pontes. Os resultados dos ensaios são influenciados pelas condições do concreto, como por exemplo teor de umidade (Malhotra,1984) Ensaios de permeabilidade A permeabilidade do concreto tem sido um critério de projeto muito importante tanto no caso de estrutura que deve impedir a passagem de água, como por exemplo as barragens, como em estruturas expostas ao meio ambiente agressivo (Malhotra,1984). Figg, em 1973, apresentou um ensaio para verificar a permeabilidade do concreto à água e ao ar. A partir dai, variações do seu ensaio foram apresentadas na literatura técnica internacional. A BS 1881 : Part 210 apresenta o método de ensaio de permeabilidade baseado no que foi apresentado por Figg (Bungey, 1989) Métodos nucleares Estes métodos são aplicados para estimar os teores de umidade e de cimento do concreto endurecido. Eles baseiam-se na dispersão de neutrons para determinação do teor de umidade e na ativação de neutrons para determinar o teor de cimento. No caso do teor de umidade parte-se do princípio de que materiais (como por exemplo a água) diminuem a velocidade dos neutrons de acordo com a quantidade de hidrogênio produzido por eles (Malhotra,1984, ACI-364,1993).