ESTUDO DA VARIAÇÃO DA ABSORÇÃO DE ÁGUA, ÍNDICE DE VAZIOS E MASSA ESPECÍFICA DO CONCRETO EM DIFERENTES ALTURAS DE PILARES

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1 ESTUDO DA VARIAÇÃO DA ABSORÇÃO DE ÁGUA, ÍNDICE DE VAZIOS E MASSA ESPECÍFICA DO CONCRETO EM DIFERENTES ALTURAS DE PILARES D. C. B. CINTRA G. L. VIEIRA Prof. MSc. Eng.ª Civil Prof. Dr.ª Eng.ª Civil PUC-Rio UFES Rio de Janeiro-RJ; Brasil Vitória-ES; Brasil daniellicbc@gmail.com geilma.vieira@gmail.com F. A. TRISTÃO PAULO HELENE Prof. Dr. Eng. Civil Prof. Dr. Eng. Civil UFES USP. PhD Engenharia Vitória-ES; Brasil São Paulo-SP; Brasil fernandoavancini@ct.ufes.br paulo.helene@concretophd.com.br RESUMO Inúmeros são os casos de manifestações patológicas em pilares de concreto armado que comprometem o seu desempenho estrutural, principalmente em longo prazo. A durabilidade do concreto depende de sua porosidade e da facilidade com que fluidos penetram e deslocam-se em seu interior. Este trabalho avalia a variação da absorção de água, índice de vazios e massa específica do concreto endurecido em três diferentes alturas de 10 pilares de seção transversal de 19cm x 19cm, altura de 170cm, utilizando-se concretos com abatimentos de 100mm ±20mm e 200mm ±20mm, com e sem adensamento, e também autoadensável. Verificou-se que a absorção de água e o índice de vazios tiveram significativa variação ao longo da altura dos pilares, sendo que o concreto da base apresentou a menor porosidade. Quanto à massa específica, as diferentes alturas dos pilares não tiveram influência significativa. 1. INTRODUÇÃO Pilares são elementos estruturais responsáveis pela transferência dos esforços oriundos das vigas, ou diretamente das lajes, para as fundações, estando sujeitos preponderantemente a esforços de compressão. A região da base dos pilares tende a ser o ponto mais vulnerável à ocorrência de manifestações patológicas em pilares, que podem comprometer a capacidade resistente e a durabilidade da estrutura [1, 2 e 3]. A base de pilares é prejudicada, desde a etapa de concretagem, pela alta concentração de armadura nas emendas de barras, pela altura elevada de lançamento e pela dificuldade de acesso para o adensamento do concreto. Durante a fase de utilização da estrutura, é uma região de alta concentração de esforços e geralmente exposta a agentes agressivos, como o acúmulo de resíduos de produtos químicos, de limpeza e umidade. A deterioração do concreto ocorre pela ação de fatores externos e internos ao material, os quais podem ser classificados como: fatores mecânicos (impacto, abrasão, erosão ou cavitação), fatores químicos (íons agressivos de líquidos e gases naturais ou industriais, como cloretos e sulfatos) e fatores físicos (alta temperatura e diferença entre coeficientes de dilatação térmica do agregado e da argamassa) [4]. Apesar de tantos fatores estarem ligados à durabilidade do concreto, esta propriedade depende muito da facilidade com que fluidos penetram e deslocam-se no seu interior, ou seja, da permeabilidade, difusibilidade de gases e líquidos e da capacidade de absorção de água, as quais são condicionadas à porosidade do material. Portanto, avaliar a porosidade do concreto associando-a à sua durabilidade trata-se de mensurar o quão penetrável é o compósito aos líquidos e gases, ou seja, com que facilidade acontece seu escoamento, difusão ou sorção [4]. 1

2 Vários ensaios permitem quantificar ou estimar a porosidade do concreto, como a determinação da absorção de água, índice de vazios e massa específica, os quais serão estudados neste trabalho, além da permeabilidade aos gases e aos líquidos, porosidade por intrusão de mercúrio, absorção de água por capilaridade, migração de cloretos, entre outros. Este trabalho apresenta um programa experimental, cujo objetivo é estudar a propriedade de porosidade do concreto em pilares, por meio da avaliação da absorção de água, índice de vazios e massa específica, sob a possível influência dos fatores consistência do concreto, adensamento e altura do pilar, além da interação entre estes fatores. O planejamento do experimento fez uso da ferramenta denominada planejamento fatorial e a análise dos resultados é feita estatisticamente, permitindo comparar os resultados dos concretos com abatimento de 100mm ± 20mm e de 200mm ± 20mm, e concreto autoadensável. Pretende-se contribuir para uma definição de procedimentos mais eficientes de concretagem de pilares, com mais vantagens do ponto de vista econômico, construtivo e de desempenho estrutural. Os resultados dos ensaios realizados também podem servir como parâmetros em pesquisas posteriores. 2. PROGRAMA EXPERIMENTAL 2.1 Planejamento fatorial Considerando os fatores controláveis variando conjuntamente, através de combinações entre seus níveis, o planejamento fatorial busca a eficiência e economia do processo experimental, desde que os seguintes princípios sejam adotados: a replicação, a aleatoriedade e a blocagem [5]. São consideradas como variáveis resposta: a absorção de água, o índice de vazios por imersão e a massa específica do concreto endurecido, determinados de acordo com a ABNT NBR 9778 [6]. Os fatores controláveis são: a consistência do concreto, que varia em dois níveis (abatimentos de 100mm ± 20mm e de 200mm ± 20mm); altura do pilar, variando em três níveis (base, meio e topo) e o adensamento interno mecânico, que varia em dois níveis (vibrado e não-vibrado). Os demais fatores relevantes são considerados constantes. As variáveis aplicadas ao planejamento fatorial para concretos com abatimento estão indicadas na Tabela 1. Tabela 1 Variáveis aplicadas ao planejamento fatorial para concretos com abatimento Variáveis resposta Absorção de água; índice de vazios e massa específica do concreto Consistência do concreto Altura no pilar Adensamento mecânico Fatores controláveis abatimento 100mm ± 20mm (100) abatimento 200mm ± 20mm (200) Base (0) Meio (l/2) Topo (l) Sim (V) Não (NV) Fatores constantes Características geométricas dos pilares; altura de lançamento; origem dos componentes do concreto; equipe de concretagem; idade das amostras. As mesmas variáveis também são avaliadas para as diferentes alturas de pilar com concreto autoadensável, porém analisadas estatisticamente em separado, pelo fato do material possuir características físicas, mecânicas e componentes consideravelmente distintos dos concretos com abatimento. 2.2 Pilares O programa experimental é composto por cinco tipos de pilares diferentes, com duas réplicas de cada pilar, totalizando dez pilares, com seção transversal de 19cm x 19cm, altura de 170cm e sem armadura para evitar a interferência das barras nas propriedades do concreto a serem estudadas. Todo trabalho experimental foi desenvolvido no Laboratório de Ensaios em Materiais de Construção da Universidade Federal do Espírito Santo (UFES) Materiais O concreto utilizado na fabricação dos pilares foi preparado em betoneira estacionária de eixo inclinado. A cada betonada, cerca de 175 litros, moldou-se dois pilares e doze corpos de prova cilíndricos de diâmetro Φ100mm. Em todas as betonadas foram realizados os ensaios de controle e aceitação do concreto conforme item 6 da ABNT NBR 2

3 12655 [7], que são ensaios de consistência em estado fresco e ensaio de resistência à compressão, em estado endurecido, este realizado conforme a ABNT NBR 5739 [8]. Para os concretos com abatimento de 100mm±20mm e 200mm ±20mm foram feitos ensaios de consistência pelo abatimento do tronco de cone, conforme a ABNT NBR NM 67 [9], realizados após o final da mistura e também antes da moldagem dos corpos de prova, que ocorreu entre as concretagens do primeiro e do segundo pilar. No caso do concreto autoadensável foram realizados os ensaios para controle de qualidade e aceitação no estado fresco prescritos no item 6.3 da ABNT NBR [10].No total foram executadas cinco betonadas de concreto. Os traços adotados foram testados antecipadamente e estão apresentados na Tabela 2. Tabela 2 Composição dos concretos produzidos Consistência do concreto Abatimento 100mm± 20mm Abatimento 200mm± 20mm Relação água cimento a/c Cimento CP III 40 RS Consumo de materiais em massa (kg) por m 3 de concreto Areia de jazida Brita 0 Brita 1 Água Plastificante Superplastificante 0, ,85 299,95 819, , ,85 299,95 819, , Sílica ativa Autoadensável 0, ,00 750, ,75 3,20 50, Concretagem Os pilares foram moldados com dois conjuntos idênticos de formas de madeira compensada plastificada de 20mm de espessura, enrijecidas com gravatas de madeira e tirantes metálicos. O lançamento do concreto na forma foi feito com baldes de 10 litros, despejados sobre uma calha de madeira previamente umedecida, posicionada no topo da forma, conferindo uma altura máxima de queda do concreto de 2m. Durante o lançamento do concreto autoadensável, uma das formas se abriu na região inferior do pilar, devido à alta pressão do concreto mais fluido, que demandou maior reforço lateral na base das formas [12]. Para os concretos com abatimento de 100mm±20mm e 200mm ±20mm, a moldagem do primeiro pilar de cada betonada foi feita com o lançamento do concreto em camadas de aproximadamente 25cm de altura, totalizando sete camadas, atendendo à prescrição do item 9.6 da ABNT NBR [11] sobre a altura máxima de camadas para vibração de concreto, que é ¾ do comprimento da agulha do vibrador ou 50cm, o que for menor. Cada camada de concreto foi adensada durante 12 segundos por vibrador de imersão, agulha com diâmetro de 25mm e 33cm de comprimento. Foram feitas marcações no mangote do vibrador para controlar a profundidade de penetração da agulha nas camadas de concreto, já que o operador do vibrador praticamente não tinha visibilidade das camadas inferiores dentro da forma, considerando-se que a ponta da agulha penetrasse cerca de 5cm na camada inferior, a fim de promover a costura de aderência entre as camadas, procedimento chamado de revibração do concreto [13 e 14]. A moldagem do segundo pilar de cada betonada foi feita com o lançamento contínuo do concreto, sem nenhum tipo de adensamento, procedimento adotado também para ambos os pilares de concreto autoadensável. Por fim os pilares foram cobertos com lona plástica para evitar a perda de água do concreto por evaporação precoce e para facilitar seu endurecimento. No terceiro dia após sua concretagem os pilares foram transportados com um guincho para o local de armazenamento e em seguida desformados. 2.3 Absorção de água, índice de vazios e massa específica do concreto das amostras de pilares Cerca de 100 dias após as concretagens, foram extraídos dois exemplares de amostras de concreto em cada uma das três alturas de referência de cada pilar para a realização dos ensaios de absorção de água, índice de vazios e massa específica, de acordo com a ABNT NBR 9778 [6]. Também foram ensaiados dois corpos de prova cilíndricos de cada concretagem, usados como referência. 3

4 A absorção de água por imersão (A) consiste no processo pelo qual a água é conduzida e tende a ocupar os poros permeáveis de um corpo sólido poroso, também considerada o incremento de massa de um corpo sólido poroso à penetração de água em seus poros permeáveis, em relação à sua massa em estado seco. Índice de vazios (I v ) consiste na relação entre o volume de poros permeáveis e o volume total da amostra. Massa específica (ρ) consiste na relação entre a massa e o volume da amostra e pode ser obtida com o material seco ou saturado. Neste trabalho é analizada a massa específica seca (ρ s ), que consiste na relação entre a massa do material seco e o volume total da amostra, incluindo os poros permeáveis e impermeáveis [6]. Respectivamente seus valores foram determinados pelas seguintes expressões: (1) (2) onde: m sat é a massa da amostra saturada após imersão em água à temperatura de 23ºC ±2ºC, sem fervura, por 72 horas; m s é a massa da amostra seca em estufa à 105 C ±5 C, por 72 horas; m i é a massa da amostra saturada imersa em água à temperatura de 23ºC ±2ºC. (3) 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES 3.1 Concretos Na Tabela 3 são apresentados os resultados dos seguintes ensaios: consistência do concreto pelo abatimento do tronco de cone, conforme a ABNT NBR NM 67 [9]; ensaio de tempo de escoamento (T 500 ) e espalhamento (SF), conforme a ABNT NBR [15]; habilidade passante, conforme a ABNT NBR [16] (Anel J) e ABNT NBR [17] (HP); viscosidade (Funil V), conforme a ABNT NBR [18]; e resistência à compressão do concreto, conforme a ABNT NBR 5739 [8], realizados em corpos de prova cilíndricos de diâmetro Φ100mm. Tabela 3 Resultados dos ensaios para controle e aceitação do concreto Betonadas Estado fresco Parâmetro de Consistência referência obtida Abatimentos: Abatimento 90mm / 90mm 100mm ±20mm Abatimentos: 95mm / 95mm Abatimentos: Abatimentos: 200mm/195mm 200mm ±20mm Abatimentos: 185mm/180mm T 500 : > 2 s T 500 : 2,5 s SF: 550 a 650mm SF: 635mm Anel J: 25mm Anel J: 25mm HP: 0,8mm/mm HP: 0,8mm/mm Funil V: 9 a 25 s Funil V: 9 s Estado endurecido Idade Resistência média Desvio padrão - s (dias) - fcm (MPa) (MPa) , , , , , , , , , ,9 4

5 De acordo com os resultados obtidos considera-se que as propriedades requeridas para os diferentes concretos da pesquisa foram atendidas, tanto no estado fresco como no endurecido. 3.2 Pilares de concreto com abatimentos de 100mm ±20mm e 200mm ±20mm A média dos resultados dos ensaios de absorção de água, índice de vazios por imersão e massa específica em amostras das alturas de pilares com concreto de abatimento estão representados na Figura 1. Observa-se que a região da base dos pilares apresenta os menores valores de absorção de água e índice de vazios, respectivamente com redução de 26% a 40% e 17% a 50% em relação ao topo. Esses resultados indicam que o concreto da base dos pilares apresenta cerca de 37% menor porosidade em relação ao concreto dos corpos de prova de referência (tracejado verde), devido à maior pressão sofrida nessa região durante a concretagem, conferindo uma compactação mais efetiva do concreto, considerando um efeito de revibração. Os valores de massa específica se mantiveram praticamente constantes ao longo da altura dos pilares. Destaca-se também que a menor consistência do concreto (maior abatimento) promove a diminuição da porosidade, isto é, quanto mais fluido menos poroso. O processo para vibração do concreto utilizado neste estudo, que seguiu prescrições normativas e bibliográficas, não se mostrou adequado, pois promoveu a porosidade, especialmente no concreto de menor consistência. Figura 1: Valores médios de absorção de água (A), índice de vazios (I v ) e massa específica (ρ s ), em diferentes alturas de pilares, concreto com abatimento de 100mm±20mm (100) e 200mm±20mm (200), vibrado e não vibrado - barras horizontais denotam 0,95 de intervalo de confiança Na Tabela 4 é apresentada a análise de variância (ANOVA), feita no programa Statistica 12, que avalia a importância que cada fator tem nos resultados e quais combinações entre fatores exercem maior influência, adotando-se um nível de significância estatística α = 0,05. Observa-se que os fatores abatimento e altura do pilar, além da interação entre os fatores abatimento e adensamento do concreto, influenciaram significativamente os resultados da absorção de água e do índice de vazios. O fator adensamento influenciou apenas os resultados da absorção de água. Já os resultados de massa específica não foram influenciados estatisticamente por nenhum dos fatores, nem mesmo pelas interações entre eles. 5

6 Tabela 4 Análise de variância (ANOVA) da absorção de água, índice de vazios e massa específica em relação aos fatores controláveis e suas interações, nível de significância α = 0,05, dos concretos com abatimento Ensaio Fatores Soma Graus de Média controláveis quadrática liberdade quadrática Teste F Valor p Significância Abatimento 10, , ,562 0, Sim Adensamento 1, ,2326 5,661 0, Sim Altura 26, , ,397 0, Sim adensamento 0, ,9460 4,345 0, Sim Absorção 1, ,6071 2,788 0, Não altura de água Adensamento 0, ,2174 0,999 0, Não adensamento 0, ,0810 0,372 0, Não Erro 7, , Abatimento 47, , ,146 0, Sim Adensamento 4, ,4570 3,236 0, Não Altura 140, , ,851 0, Sim adensamento 7, ,1130 5,164 0, Sim Índice de 8, ,4090 3,201 0, Não altura vazios Adensamento 3, ,8660 1,354 0, Não adensamento 1, ,8740 0,634 0, Não Erro 49, , Abatimento 0, ,0413 2,110 0, Não Adensamento 0, ,0163 0,830 0, Não Altura 0, ,0003 0,010 0, Não adensamento 0, ,0152 0,780 0, Não Massa 0, ,0125 0,640 0, Não altura específica Adensamento 0, ,0091 0,460 0, Não adensamento 0, ,0201 1,030 0, Não Erro 0, , Pilares de concreto autoadensável Os resultados dos ensaios de absorção de água, índice de vazios por imersão e massa específica em amostras de pilares com concreto autoadensável estão representados na Figura 2. Observa-se que a base dos pilares apresenta os menores valores de absorção de águra e de índice de vazios, ambos com redução de cerca de 28% em relação ao topo, indicando que o concreto da base dos pilares apresenta menor porosidade, mesmo em relação ao concreto dos corpos de prova de referência (linhas tracejadas), devido à maior pressão sofrida nessa região durante a concretagem, conferindo uma compactação mais efetiva do concreto. Os valores de massa específica se mantiveram praticamente constantes ao longo da altura dos pilares. 6

7 Figura 2: Valores médios de absorção de água por imersão (A), índice de vazios (I v ), massa específica seca (ρ s ), em diferentes alturas de pilares de concreto autoadensável barras horizontais denotam 0,95 de intervalo de confiança Na Tabela 5 é apresentada a análise de variância (ANOVA), com nível de significância estatística α = 0,05, feita no programa Statistica 12, e observa-se a influência das diferentes alturas de pilar nos resultados da absorção de água e índice de vazios do concreto autoadensável, ao contrário dos resultados de massa específica. Tabela 5 ANOVA do efeito da altura nos resultados, nível de significância α = 0,05, concreto autoadensável Ensaio Fatores Soma Graus de Média quadrática liberdade quadrática Teste F Valor p Significância Absorção de Altura 6, ,2143 7,6305 0, Sim água Erro 3, , Índice de Altura 24, ,0365 6,4899 0, Sim vazios Erro 16, , Massa Altura 0, , ,354 0, Não específica Erro 0, , Os resultados médios obtidos na pesquisa estão no resumo comparativo da Figura 3. Figura 3: Resumo comparativo dos resultados médios da pesquisa obtidos para concreto de abatimento de 100mm ±20mm (100) e 200mm ±20mm (200), vibrados (V) ou não (NV), e concreto autoadensável (AA) 4. CONCLUSÕES O programa experimental apresentado analisou estatisticamente a propriedade de porosidade do concreto por meio de ensaios de absorção de água, índice de vazios do concreto e massa específica seca, em diferentes alturas de 10 pilares 7

8 moldados em laboratório, de acordo com as boas práticas recomendadas por normas e bibliografia técnica, sem armadura, com concretos com abatimento de 100mm ±20mm e 200mm ±20mm, vibrados ou não, e também com concreto autoadensável e as conclusões do trabalho são apresentadas a seguir: a. a região da base dos pilares apresentou os menores valores de absorção de água e índice de vazios do concreto, com redução de até 50% em relação ao topo e redução de até 37% em relação aos corpos de prova de referência, indicando que o concreto da base dos pilares apresenta menor porosidade, devido à maior pressão sofrida nessa região durante a concretagem, conferindo uma compactação mais efetiva do concreto; b. a menor consistência do concreto (maior abatimento) promove a diminuição da porosidade, ou seja, quanto mais fluido menos poroso; c. os fatores abatimento e altura do pilar, além da interação entre os fatores abatimento e adensamento do concreto influenciaram significativamente nos resultados da absorção de água e índice de vazios do concreto; d. o fator adensamento influenciou significativamente apenas os resultados da absorção de água; e. os resultados de massa específica não foram influenciados por nenhum dos fatores, nem pelas interações entre eles. A menor porosidade do concreto da base do pilar pode mitigar a penetração e deslocamento de fluidos, promovendo durabilidade ao elemento, porém a inadequação ou negligência das etapas de concretagem, tão comuns em situações reais de obra [14], juntamente com a alta taxa de armadura das emendas de barras e o acúmulo de resíduos e umidade na região da base de pilar, acabam comprometendo a qualidade do concreto e o desempenho estrutural do elemento. 5. REFERÊNCIAS [1] Medeiros, M.H.F. et al, Inspeção em prédios no Rio de Janeiro: corrosão em pilares, Concreto & Construções. São Paulo, 2010, v. 57, p [2] Medeiros, M.H.F. et al, Inspection of buildings in Rio de Janeiro-Brazil: proving the greater tendency of corrosion at the base of reinforced concrete columns using potential corrosion technique. American journal of Engineering Research (AJER). 2013, v.2, n. 4, p [3] Quintana, C.B., Influência da armadura transversal e do cobrimento da armadura longitudinal na resistência de pilares de concreto. Tese de Doutorado em Engenharia Civil. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, p. 24. [4] Neville, A.M., Propriedades do concreto, 2. ed. São Paulo: Pini, [5] Montgomery, D.C., Design and analysis of experiments, 6. ed. Danvers: John Wiley & Sons, [6] Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), NBR 9778 Argamassa e concreto endurecidos Determinação da absorção de água, índice de vazios e massa específica. Rio de Janeiro, [7] NBR Concreto de cimento Portland Preparo, controle e recebimento - Procedimento. Rio de Janeiro, [8] NBR 5739 Concreto ensaios de compressão de corpo-de-prova cilíndricos. Rio de Janeiro, [9] NBR NM 67 Concreto determinação da consistência pelo abatimento do tronco de cone. Rio de Janeiro, [10] NBR Concreto auto-adensável Parte 1: Classificação, controle e aceitação no estado fresco. Rio de Janeiro, [11] NBR Execução de estruturas de concreto - Procedimento. Rio de Janeiro, [12] Fávero, R.B. et al, Estudo comparativo entre a utilização de concreto convencional e de concreto autoadensável na construção de um edifício residencial. 55º Congresso Brasileiro do Concreto. Gramado-RS, p. 5. [13] Andriolo, F.R. Construções de concreto: manual de práticas para controle e execução. São Paulo: Pini, [14] Cintra, D.C.B. et al, Estudo de procedimentos de adensamento do concreto por vibradores de imersão em obras na Grande Vitória-ES. 55º Congresso Brasileiro do Concreto. Gramado-RS, p. 8. [15] Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), NBR Concreto auto-adensável Parte 2: Determinação do espalhamento e do tempo de escoamento Método do cone de Abrams. Rio de Janeiro, [16] ABNT, NBR Concreto auto-adensável Parte 3: Determinação da habilidade passante Método do anel J. Rio de Janeiro, [17] ABNT, NBR Concreto auto-adensável Parte 4: Determinação da habilidade passante Método da caixa L. Rio de Janeiro, [18] ABNT, NBR Concreto auto-adensável Parte 5: Determinação da viscosidade Método do funil V. Rio de Janeiro,