RELAÇÃO ENTRE RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO DO CONCRETO ENDURECIDO E A CORRENTE ELÉTRICA NO ESTADO FRESCO

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1 UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE - UNESC CURSO DE ENGENHARIA CIVIL ALISON ROSSO EVANGELISTA RELAÇÃO ENTRE RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO DO CONCRETO ENDURECIDO E A CORRENTE ELÉTRICA NO ESTADO FRESCO CRICIÚMA, JUNHO DE 2009

2 ALISON ROSSO EVANGELISTA RELAÇÃO ENTRE RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO DO CONCRETO ENDURECIDO E A CORRENTE ELÉTRICA NO ESTADO FRESCO Trabalho de Conclusão do Curso, apresentado para obtenção do grau de Engenheiro Civil no Curso de Engenharia Civil da Universidade do Extremo Sul Catarinense, UNESC. Orientador: Prof. Dr. Leonardo de B. Andrade Co-orientadora: Dra. Andrea Murillo Betioli CRICIÚMA, JUNHO DE 2009

3 ALISON ROSSO EVANGELISTA RELAÇÃO ENTRE RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO DO CONCRETO ENDURECIDO E A CORRENTE ELÉTRICA NO ESTADO FRESCO Trabalho de Conclusão do Curso aprovado pela Banca Examinadora para obtenção do grau de Engenheiro Civil, no Curso de Engenharia Civil da Universidade do Extremo Sul Catarinense, UNESC. Criciúma, 29 de junho de BANCA EXAMINADORA Prof. Leonardo de B. Andrade Doutor (UNESC) - Orientador Andrea Murillo Betioli Doutora (USP) Co-orientadora Prof. Fernando Pelisser Mestre (UNESC)

4 Dedico este trabalho aos meus pais Jorge Evangelista Filho e Terezinha Rosso Evangelista. Minha esposa Joice Severina. Minha filha Isabela Evangelista.

5 AGRADECIMENTOS Aos meus pais Jorge Evangelista Filho e Terezinha Rosso Evangelista, pelo incentivo e compreensão muito importantes para mais esta realização. A minha esposa Joice Severina, pelos momentos de carinho e afeto compartilhados. Ao orientador Prof. Dr. Leonardo de Brito Andrade, pela atenção e dedicação. Ao Prof. Dr. Márcio Antônio Fiori e à Dra. Andrea Murillo Betioli. Ao Prof. Dr. Gihad Mohamad por acreditar e me apoiar no desenvolvimento inicial do tema de estudo. Aos estagiários Pablo Jacoby e Gustavo Pereira pelo auxílio nos ensaios de laboratório.

6 Faça as coisas o mais simples que você puder, porém não se restrinja às mais simples. Albert Einstein

7 RESUMO O concreto é um material que apresenta, dentre outras vantagens, grande capacidade resistente à compressão e boa resistência aos agentes agressivos quando utilizado conforme as considerações de projeto. Porém, quando dosado de forma incorreta, resulta em concretos com resistência inadequada e durabilidade reduzida. Procedimentos de correção em estruturas geram custos muito maiores do que se houvesse uma simples verificação e ajuste de traço do concreto antes do lançamento. Este estudo experimental tem como principal objetivo avaliar a possibilidade de previsão da resistência mecânica do concreto endurecido por meio da propriedade elétrica no estado fresco. Inicialmente, determinou-se o método mais adequado de medição da corrente elétrica para o concreto no estado fresco. Como se trata de um estudo de referência, de forma a avaliar principalmente o comportamento do cimento, o concreto experimental foi feito com cimento portland CPII-F, sem o uso de adições e aditivos. Foram definidos três traços, variando-se consumo de cimento e, para cada traço, três relações água/cimento. Com os diversos dados obtidos foi possível compor gráficos de correlação coerentes de forma a possibilitar a previsão de resistência mecânica em futuras misturas que utilizem os mesmos materiais que foram utilizados no experimento. Palavras-chave: Concreto, Resistividade e Condutividade, Corrente elétrica, Previsão de resistência mecânica, Durabilidade, Controle Tecnológico.

8 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 01 - Evolução dos custos pela fase de intervenção (Regra de Sitter)...17 Figura 02 - Representação esquemática da evolução de calor durante a hidratação do cimento Portland (adaptado de ESPING, 2007, apud BRITO, 2008)...20 Figura 03 - Diagrama de distribuição das cargas no sistema de poros de pasta de cimento endurecida. G = gel; C = poros capilares contínuos; D = poros capilares descontínuos ou fechados...23 Figura 04 - Resistividade elétrica x relação água/cimento e consumo de cimento Portland comum, ensaiado aos 28 dias...24 Figura 05 - Esquema elétrico para determinação da resistividade elétrica volumétrica segundo a NBR 9405: Figura 06 - Método dos quatro eletrodos para medir a resistividade elétrica do concreto. d distância entre eixos dos eletrodos...27 Figura 07 - Esquema para a determinação da resistividade: método dos dois eletrodos...28 Figura 08 - Circuito montado, utilizando método de quatro eletrodos, pronto para leitura...30 Figura 09 - Resistividade elétrica aparente versus resistência à compressão axial, aos 91 dias...31 Figura 10 - Detalhes do molde de PVC para medição de corrente elétrica...36 Figura 11 - Moldes dispostos, prontos para leitura da corrente elétrica...37 Figura 12 - Corrente elétrica (A) x Tempo (min) para o traço 1:3,5:0,448 (1:m:x) com slump de 50 mm...39 Figura 13 - Corrente elétrica (A) x Tempo (min) para traço 1:3,5:0,470 (1:m:x) com slump de 85 mm...39 Figura 14 - Corrente elétrica (A) x Tempo (min) para traço 1:3,5:0,488 (1:m:x) com slump de 95 mm...40 Figura 15 - Corrente elétrica (A) x Tempo (min) para traço 1:5,0:0,487 (1:m:x) com slump de 60 mm...40 Figura 16 - Corrente elétrica (A) x Tempo (min) para traço 1:5,0:0,606 (1:m:x) com slump de 85 mm...41 Figura 17 - Corrente elétrica (A) x Tempo (min) para traço 1:5,0:0,610 (1:m:x) com slump de 90 mm...41

9 Figura 18 - Corrente elétrica (A) x Tempo (min) para traço 1:6,5:0,780 (1:m:x) com slump de 65 mm...42 Figura 19 - Corrente elétrica (A) x Tempo (min) para traço 1:6,5:0,784 (1:m:x) com slump de 80 mm...42 Figura 20 - Corrente elétrica (A) x Tempo (min) para traço 1:6,5:0,790 (1:m:x) com slump de 95 mm...43 Figura 21 - Influência da intensidade de Corrente elétrica (A)...44 Figura 22 - Projeção da intensidade de Corrente elétrica (A)...45 Figura 23 - Resistência à compressão axial aos 3, 7 e 28 dias para slump 6 cm...46 Figura 24 - Resistência à compressão axial aos 3, 7 e 28 dias para slump 8 cm...46 Figura 25 - Resistência à compressão axial aos 3, 7 e 28 dias para slump 10 cm...47 Figura 26 - Corrente elétrica versus resistência à compressão axial (Fcj) aos 28 dias...48 Figura 27 - Abatimentos medidos para cada traço versus relação água/cimento...49 Figura 28 - Curvas de comportamento (ANEXO J) com resistência à compressão x relação água/cimento segundo a Lei de Abrams (As linhas tracejadas corresponde à correção de resistência para a curva de abatimento 8 cm)...50 Figura 29 - Gráfico corrigido - corrente elétrica versus resistência à compressão (fcj) aos 28 dias (As linhas tracejadas mostram a correção das curvas de correlação baseadas nas curvas de comportamento da Figura 28)...51 Figura 30 - Resistência elétrica, relação água/cimento e consumo de cimento, ensaiado no concreto fresco....53

10 LISTA DE TABELAS Tabela 01 - Principais fases anidras de um cimento portland Tabela 02 - Fases anidras e fases hidratadas...20 Tabela 03 - Características físicas dos agregados...33 Tabela 04 - Dosagens utilizadas no experimento...34 Tabela 05 - Relação de anexos com resultados referentes misturas utilizadas em cada ensaio...38 Tabela 06 - Resistência elétrica calculada a partir da correção de corrente...52

11 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO TEMA DELIMITAÇÃO DO TEMA PROBLEMA DE PESQUISA OBJETIVOS OBJETIVO GERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS JUSTIFICATIVA FUNDAMENTAÇÃO TÉORICA Hidratação do Cimento Portland Condutividade e resistividade elétrica do concreto Métodos de medição de corrente e resistividade elétrica para o concreto Tipos de sinais elétricos e intensidade de corrente Exemplo de correlação da resistividade elétrica aparente do concreto no estado endurecido versus resistência à compressão axial PROGRAMA EXPERIMENTAL Caracterização física dos materiais Dosagem do concreto Mistura do concreto Ensaio de abatimento de tronco de cone (slump-test) Moldagem dos corpos-de-prova Processo de medição da corrente elétrica APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS Valores de abatimento para cada traço Representação gráfica e análise dos resultados de corrente elétrica Representação gráfica e análise dos resultados de resistência à compressão axial Correlação obtida entre corrente elétrica e resistência à compressão axial Relação do consumo de cimento CONCLUSÃO SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS...56

12 ANEXOS...59 ANEXO A RESULTADOS PARA O TRAÇO: 1:3,5:0, ANEXO B RESULTADOS PARA O TRAÇO: 1:3,5:0, ANEXO C RESULTADOS PARA O TRAÇO: 1:3,5:0, ANEXO D RESULTADOS PARA O TRAÇO: 1:5,0:0, ANEXO E RESULTADOS PARA O TRAÇO: 1:5,0:0, ANEXO F RESULTADOS PARA O TRAÇO: 1:5,0:0, ANEXO G RESULTADOS PARA O TRAÇO: 1:6,5:0, ANEXO H RESULTADOS PARA O TRAÇO: 1:6,5:0, ANEXO I RESULTADOS PARA O TRAÇO: 1:6,5:0, ANEXO J - LEIS DE COMPORTAMENTO SEGUNDO MÉTODO DE DOSAGEM IPT/EPUSP...69

13 12 1 INTRODUÇÃO O concreto é um material muito utilizado devido a vantagens como: facilidade para obtenção de seus componentes resultando em baixo custo, facilidade para moldar-se as diversas formas e tamanhos, grande capacidade resistente à compressão e boa resistência aos agentes agressivos. Porém, para obter o desempenho e durabilidade durante o período de vida útil estimado das estruturas em concreto armado é necessário primeiramente garantir as condições mínimas de dimensionamento e resistência previstas determinadas em projeto conforme o uso e o grau de agressividade do meio ambiente na qual serão expostas, assim como recomenda a norma NBR 6118:2003. Manifestações patológicas em estruturas de concreto armado devido ao envelhecimento precoce das construções são cada vez mais freqüentes e muitas vezes relacionadas à corrosão da armadura. Essa deterioração é causada principalmente pelo aparecimento de elementos expansivos gerados pela ação de agentes agressivos ao concreto e a armadura. O tempo de vida útil depende muito da ação protetora do concreto sobre o aço. Portanto, é importante garantir a resistência do concreto de acordo com o que foi especificado em projeto. Os concretos com resistência inferior que a especificada em projeto contribuem também para o aparecimento de fissuras devido ao aumento das deformações estruturais. Estas fissuras diminuem muito a resistência à penetração dos agentes agressivos que aceleram a degradação da estrutura. A verificação da resistência do concreto se dá normalmente pelo rompimento de corpos-de-prova cilíndricos por compressão axial. No entanto, essa verificação é tardia, pois o concreto já foi lançado na estrutura e quando a resistência é inferior que a determinada em projeto deve-se executar reforços ou reconstruir a estrutura danificada. Essas intervenções são trabalhosas e aumentam significativamente o custo de uma obra. Percebe-se que estes procedimentos poderiam ser evitados se fosse possível prever a resistência do concreto de forma mais precisa antes do lançamento através de alguma propriedade no concreto no estado fresco. Uma propriedade possível de ser avaliada é a elétrica, uma vez que as partículas de cimento recém hidratadas geram íons condutores de carga

14 13 aumentando a condutividade, sendo diretamente proporcional à concentração de cimento. Como a relação água/cimento está diretamente relacionada à resistência mecânica talvez seja possível correlacionar as duas propriedades. Este trabalho tem como meta fundamental avaliar a possibilidade de previsão da resistência à compressão axial do concreto por meio da medição de corrente elétrica do concreto no estado fresco para uma determinada trabalhabilidade.

15 14 2 TEMA Previsão da resistência mecânica do concreto com a utilização de um método indireto de medição de corrente elétrica contínua. 3 DELIMITAÇÃO DO TEMA Estudo de viabilidade de previsão da resistência mecânica do concreto endurecido a partir da corrente elétrica contínua obtida por método de medição aplicado ao concreto no estado fresco produzido com cimento Portland CPII-F e sem o uso de adições e aditivos. 4 PROBLEMA DE PESQUISA As manifestações patológicas como deformações, fissuras, desagregação, desplacamentos e manchas, em estruturas de concreto armado geradas pelo envelhecimento precoce das construções são muito freqüentes atualmente. Segundo Helene (1997), a durabilidade da estrutura depende da resistência conjunta do concreto e da armadura ao uso e a ação do meio ambiente. A ação dos agentes agressivos no concreto armado gera elementos expansivos que deterioram a estrutura, principalmente quando ocorre a corrosão da armadura. O gás carbônico CO 2, cada vez mais presente nas grandes cidades e o cloreto (CI - ) encontrado nas regiões litorâneas, são os principais responsáveis pelo ataque à armadura. Os agentes agressivos ao concreto como os ácidos, sulfatos e até a reação álcali-agregado, atacam primeiramente o concreto e posteriormente contribuem para a despassivação e corrosão da armadura. O concreto é um meio poroso, e quanto maior a quantidade de poros e a interligação entre eles menor será a resistência mecânica e menor será também a resistência à penetração de agentes agressivos (HELENE, 1997). Portanto, a durabilidade das estruturas de concreto armado depende principalmente da ação protetora do concreto sobre o aço contra os agentes agressivos do ambiente em que é exposto. A norma NBR 6118:2003 determina a resistência mecânica do concreto e o cobrimento da armadura em função do uso e grau de agressividade do meio

16 15 ambiente em que a estrutura está submetida, a fim de garantir a qualidade e o desempenho previstos para o período de vida útil da obra. A causa dos concretos apresentarem resistência inferior que a determinada em projeto pode ser devido a fatores tais como: dosagem incorreta, materiais inadequados, quantidade excessiva de água, falta de cuidados na execução. Normalmente este problema só é percebido através do rompimento dos corpos-de-prova, e neste caso o concreto já está endurecido na estrutura, e se não garantir os requisitos mínimos de resistência, a solução é a intervenção por reforço ou reconstrução da estrutura afetada, que além de ser muito trabalhosa, gera um aumento significativo no custo de uma obra.

17 16 5 OBJETIVOS 5.1 OBJETIVO GERAL Avaliar a possibilidade de previsão da resistência mecânica do concreto com a utilização de corrente elétrica contínua obtida por método de medição aplicado ao concreto fresco segundo gráficos de correlação obtidos no experimento. 5.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Analisar e determinar a proposta de um aparato experimental para medição da corrente elétrica, mais adequado para ser aplicado ao concreto no estado fresco; Medir a corrente elétrica pelo método proposto aplicado nas misturas de concreto fresco, e obter a resistência à compressão do concreto endurecido através do rompimento dos corpos-de-prova cilíndricos em diferentes idades; Analisar os resultados obtidos no experimento e propor gráficos de correlação entre as medidas de corrente elétrica e resistência à compressão axial.

18 17 6 JUSTIFICATIVA A demora em iniciar a manutenção de uma obra torna os reparos mais trabalhosos e onerosos. A lei de evolução dos custos (Figura 01), conhecida como lei dos 5 ou regra de Sitter, mostra que os custos de intervenção crescem em função do tempo e segundo uma progressão geométrica de razão cinco. Helene (1992) afirma que as correções serão mais duráveis, mais efetivas, mais fáceis de executar e muito mais baratas quanto mais cedo forem executadas. Figura 01 - Evolução dos custos pela fase de intervenção (Regra de Sitter) Fonte: SITTER, 1984 apud HELENE, 1997 Portanto, a verificação do f ck do concreto utilizado na obra através do rompimento de corpos-de-prova é obtida de forma tardia (28 dias), pois o concreto já foi lançado na estrutura, e se não estiver de acordo com o f ck de projeto, a solução é o reforço ou reconstrução. Esta intervenção é trabalhosa e onerosa, pois além dos gastos para o reforço ou reconstrução, ocorre atraso no cronograma de execução da obra. E, se caso este problema não for solucionado, além de diminuir significativamente o tempo de vida útil da obra, o custo de futuras manutenções será muito maior. Sendo assim, nota-se que há necessidade de encontrar um método simples e rápido e que seja aplicável no canteiro de obras de forma a prever com maior precisão a resistência mecânica do concreto. Isso antes do seu lançamento, a fim de descartá-lo, encaminhar para outra aplicação ou efetuar correções no traço,

19 18 caso não atenda as condições mínimas especificadas em projeto, e assim, garantir a economia e a durabilidade das estruturas, sem dispensar o uso do controle tecnológico existente. Uma solução sugerida foi adotar o uso de um método de medida de corrente elétrica contínua pois o cimento quando hidratado se dissolve em íons condutores de carga, e os agregados comuns são considerados isolantes, então para o concreto fresco a corrente elétrica varia em função do volume relativo de matriz e agregados e do consumo de cimento e água. De forma semelhante, os consumos de cimento, agregados e água têm grande influência na resistência mecânica do concreto. Através deste estudo será avaliado se existe a possibilidade de correlacionar a corrente elétrica e a resistência mecânica a fim de possibilitar a previsão de resistência a partir do concreto no estado fresco.

20 19 7 FUNDAMENTAÇÃO TÉORICA Para definir um método de previsão de resistência mecânica do concreto endurecido através da condutividade eletrolítica do concreto ainda fresco, torna-se necessário um entendimento sobre alguns conceitos relacionados à hidratação do cimento, condutividade e resistividade elétrica, além das formas de medições existentes para materiais à base de cimento. 7.1 Hidratação do Cimento Portland Hidratação do cimento pode ser entendida como o processo em que ocorre a estabilização pela água dos minerais do clínquer, metaestáveis à temperatura ambiente, ocorrendo uma reorganização que gera fases de baixa cristalinidade, como o silicato de cálcio hidratado (C-S-H), etringita e a portlandita (CH) (KIHARA & CENTURIONE, 2005). Segundo Neville (1997), o cimento portland é um produto multifásico, obtido a partir do clínquer e constituído principalmente pelas fases anidras mostradas na Tabela 01. Tabela 01 - Principais fases anidras de um cimento portland. Composto composição nomenclatura Silicato tricálcico (Alita) 3CaO.SiO 2 C 3 S Silicato dicálcico (Belita) 2CaO.SiO 2 C 2 S Aluminato tricálcico 3CaO.Al 2 O 3 C 3 A Ferroaluminato tetracálcico 4CaO.Al 2 O 3.Fe 2.O 3 C 4 AF Fonte: Neville, 1997 Existem ainda outros óxidos em menor teor como MgO, TiO 2, MnO 2, K 2 O e Na 2 O, os dois últimos são álcalis. Para evitar a pega instantânea pela reação do C 3 A com a água, é adiciona-se a gipsita ou sulfato de cálcio di-hidratado (CaSO 4..2H 2 O) como regulador de pega (NEVILLE, 1997). A formação dos produtos hidratados resultantes da reação da água com os principais componentes anidros do cimento estão relacionados na Tabela 02 (REGOURD, 1982 apud PELISSER e GLEIZE, 2007).

21 20 Tabela 02 - Fases anidras e fases hidratadas Fases anidras Fases hidratadas C 3 S» C-S-H + CH C 2 S» C-S-H + CH C 3 A» C 2 AH 8 + C 4 AH 13 + C 3 AH 13 C 3 A + gipsita» C 3 A.3CS.H 32 + C 3 A.CS.H 12 + C 4 AH 13 C 4 AF» C 2 (A,F)H 8 + C 4 (A,F)H 13 + C 3 (A,F)H 6 C 4 AF + gipsita» C 3 (A,F).3CS.H 32 + C 3 (A,F).CS.H 12 + C 4 (A,F)H 13 Fonte: Regourd, 1982 apud PELISSER E GLEIZE, 2007 Existem ainda os cimentos compostos, que para melhorar algumas características específicas dos materiais cimentícios são adicionados outros materiais em sua fabricação, como pozolanas, escórias de alto forno e materiais carbonáticos. As reações químicas resultantes da hidratação do cimento liberam calor, que resulta na elevação da temperatura do concreto fresco, principalmente durante o início e fim de pega. Segundo Neville (1981), o calor de hidratação consiste no calor químico das reações de hidratação e no calor de adsorção da água na superfície do gel formado no processo. Então, utilizando um ensaio de calorimetria é possível acompanhar a evolução do processo de reológico do cimento (Figura 02). Taxa de evolução de calor Dissolução: Formação de etringita Rápida formação de C-S-H e CH Período de indução Pega inicial Pega final Reações de difusão-controlada Formação de monosulfato ~10 minutos ~4 horas ~12 horas ~24 horas Tempo de hidratação ~2% ~15% ~30% Grau de hidratação Figura 02 - Representação esquemática da evolução de calor durante a hidratação do cimento Portland (adaptado de ESPING, 2007, apud BRITO, 2008) Segundo Lei e Struble (1997, apud BETIOLI, 2007) e Lea (1970, apud BETIOLI, 2007), a concentração de íons aumenta rapidamente até 20 minutos ou mais, e depois altera pouco durante as próximas horas correspondentes ao período de indução (estágio II).

22 21 Outra forma de avaliar o processo de hidratação do cimento é através da propriedade elétrica, e para um melhor entendimento desta propriedade em relação ao concreto é necessária à abordagem de alguns conceitos relacionados à condutividade e resistividade elétrica do concreto. 7.2 Condutividade e resistividade elétrica do concreto A resistividade elétrica pode ser definida como a resistência elétrica de um condutor de volume unitário e seção transversal constante no qual a corrente é uniforme e continuamente distribuída (ESBACH, 1975, apud SANTOS, 2006), ou seja, é a resistência elétrica à passagem de corrente elétrica obtida entre faces opostas de um volume unitário de material. Entende-se por condutividade elétrica como o inverso de resistividade elétrica (HELENE, 1993, apud HOPPE, 2005). Desta forma pode-se dizer que a corrente elétrica obtida em uma medição está associada de forma inversamente proporcional com a resistividade elétrica do material. Algumas teorias consideram o concreto como um sistema em que sua resistividade depende da resistividade de cada material constituinte, agregados, da matriz e de ambos os volumes relativos (WHITING e NAGI, 2003 apud HOPPE, 2005). Os agregados comumente utilizados são considerados isolantes, devido a sua elevada resistividade em relação à matriz de concreto. A norma NBR 9204:85, que trata do método para obtenção da resistividade elétrica volumétrica, cita que os agregados (areia e brita) convencionais constituídos de granitos, gnaisses, basalto entre outros, são isolantes, ou seja, dificultam a passagem de corrente elétrica. Monfore (1968 apud SANTOS, 2006) mediu a resistividade elétrica de vários agregados tipicamente utilizados em concreto e obteve resultados praticamente infinitos em comparação à resistividade da pasta de cimento. A resistividade em agregados graníticos chegou a 880kΩ.cm, onde, segundo o autor, a presença de agregados entre a matriz do concreto causa a obstrução da passagem de corrente elétrica. Portanto, quanto maior o teor de agregados, maior será a resistividade do concreto. Segundo Monfore (1968 apud SANTOS, 2006), a condução da corrente elétrica através do concreto é de natureza essencialmente eletrolítica e ocorre por

23 meio dos íons presentes na água das pastas de cimento (Ca 2+, Na +, K +, OH - 2- e SO 4 ). Desta forma, considera-se que a corrente elétrica ocorre na matriz do concreto e varia de acordo com a quantidade de íons dissolvidos e com o volume da matriz. Segundo Hoppe (2005), os principais fatores que influenciam a resistividade elétrica do concreto no estado fresco estão ligados às características físicas e químicas, ou seja, relação água/cimento, tipo e quantidade de agregados, consumo de cimento, tipo de cimento, adições minerais e aditivos químicos. Estes fatores influenciam no tamanho e na distribuição dos poros no concreto endurecido que por sua vez são diretamente associados à resistência mecânica (HOPPE, 2005). A relação água/cimento tem grande influência na resistência mecânica e durabilidade do concreto. Neville (1997 apud HOPPE, 2005) relata que a resistividade elétrica decresce com o aumento da relação água/cimento, devido a maior disponibilidade de eletrólito. Para o concreto no estado endurecido a condução de corrente elétrica ocorre pela fase líquida da estrutura dos poros interligados da pasta. Shekarchi et al. (2004 apud SANTOS, 2006), afirmam que o fluxo da corrente elétrica no concreto se dá por meio dos íons dissolvidos na água que preenchem total ou parcialmente a rede de poros interconectados da pasta. Andrade (2004 apud SANTOS, 2006) afirma que a resistividade elétrica relaciona-se à microestrutura do concreto de tal forma que, em um concreto saturado no estado endurecido, ela pode ser utilizada como medida indireta da conectividade dos poros. Ainda, Helene (1993 apud HOPPE, 2005) afirma que a resistividade elétrica do concreto depende do grau de hidratação do cimento e eleva-se com o aumento deste. A Figura 03 mostra o gel de cimento, os poros capilares contínuos e descontínuos e a forma de condução iônica da pasta de cimento endurecida. A solução aquosa dos poros contém íons positivos e negativos. A condução iônica aumenta relativamente com o aumento da fase líquida dos poros. Em concretos muito secos, a condutividade é muito reduzida, o que torna o concreto um isolante (BRAMESHUBER e RAUPACH, 2003 apud HOPPE 2005). 22

24 23 Figura 03 - Diagrama de distribuição das cargas no sistema de poros de pasta de cimento endurecida. G = gel; C = poros capilares contínuos; D = poros capilares descontínuos ou fechados Fonte: BRAMESHUBER e RAUPACH, 2003 apud HOPPE, 2005 Com a evolução da hidratação, a porosidade vai diminuindo e os vazios, que inicialmente eram ocupados pelo eletrólito, vão sendo preenchidos pelos produtos da hidratação do cimento. Em estudos Monfore (1968, apud HOPPE, 2005) mediu a resistividade elétrica de concretos com relação água/cimento 0,40 e submetidos à cura úmida. O pesquisador constatou que dos 7 para os 90 dias a resistividade elétrica do concreto duplicou de valor. Neville (1997) relata que qualquer aumento do volume de água e da concentração de íons na solução aquosa dos poros diminui a resistividade da pasta de cimento. Conforme mostra a Figura 04, a resistividade decresce rapidamente com o aumento da relação água/cimento, devido principalmente à maior porosidade e à disponibilidade de eletrólito. A redução no consumo de cimento para uma relação água/cimento constante, gera aumento na resistividade elétrica devido à diminuição do eletrólito disponível para passagem de corrente elétrica.

25 24 Figura 04 - Resistividade elétrica x relação água/cimento e consumo de cimento Portland comum, ensaiado aos 28 dias Fonte: NEVILLE, 1997 Os resultados apresentados na Figura 04 comprovam que existe variação da resistividade em função da relação água/cimento e do consumo de cimento, que por sua vez são características importantes para determinação da resistência mecânica do concreto. 7.3 Métodos de medição de corrente e resistividade elétrica para o concreto A medição da resistividade é obtida através da leitura de corrente elétrica resultante da aplicação de uma diferença de potencial entre eletrodos aplicados em contato com pontos ou faces opostas de um volume de material. Os métodos de medição podem ser destrutivos ou não destrutivos. Os métodos não destrutivos são aqueles mais utilizados em situações reais, normalmente amostras extraídas do local de interesse, em que o eletrodo é colocado em contato superficial com o concreto endurecido, neste caso é necessário observar a eficiência do contato entre os eletrodos e o concreto, pois no concreto endurecido a presença de agregados na superfície próxima à área de contato pode

26 25 interferir no resultados (MILLARD, 1991 apud SANTOS, 2006). Segundo Ewins (1990 apud SANTOS, 2006), o aumento da resistência de contato entre o eletrodo e a superfície do concreto reduz a intensidade da corrente de uma amostra submetida a uma tensão constante. Esta variação na corrente causa erros na medida de resistividade. Diversos autores sugerem soluções para evitar este problema, como o aumento da intensidade de força de união entre os eletrodos e o concreto (Elkey & Sellevold apud SANTOS, 2006), ou a utilização de materiais de baixa resistência entre os contatos como géis de grafite, pasta de cimento ou soluções eletrolíticas (MONFORE, 1968; HUGES, 1985; SHEKARCHI et al., 2004, apud SANTOS, 2006). Os métodos destrutivos são aqueles em que os eletrodos são introduzidos no concreto, desta forma melhoram a área de contato que por sua vez diminuem os erros das medidas, são muito utilizados em laboratórios tanto para o concreto no estado fresco quanto para o endurecido. Segundo Whiting & Nagi (2003, apud SANTOS, 2006), o modo mais eficiente de promover o contato é embutir o eletrodo no concreto durante a moldagem. Os métodos variam também pela quantidade, formato e composição dos eletrodos Método para determinação da resistividade elétrica volumétrica do concreto endurecido segundo a NBR 9204:1985 A NBR 9204:1985 descreve o procedimento de medida da resistividade elétrica volumétrica do concreto endurecido através de corpos-de-prova moldados ou testemunhos extraídos com 150 mm de diâmetro e 150 mm de altura. Esta norma é aplicável aos concretos de uso corrente nas obras de construção civil. Este método utiliza três eletrodos em forma de prato circular constituídos de mercúrio líquido metálico em contato com as faces do corpo-de-prova. Nos eletrodos 1 (principal ou blindado) e 2 (Secundário ou não blindado) é aplicada uma tensão de 50V ± 0,5V em corrente contínua, como mostra a Figura 05. O eletrodo 3 (de blindagem) é utilizado para evitar erros devido aos efeitos de superfície.

27 26 Figura 05 - Esquema elétrico para determinação da resistividade elétrica volumétrica segundo a NBR 9405:1985 Fonte: ABREU, 1998, apud SANTOS, 2006 A corrente elétrica resultante deve ser medida após dez minutos da aplicação da tensão nos eletrodos e a resistividade pode ser calculada utilizando a Equação 1: V. A = I. h ρ v Equação (1) Onde: ρ v = resistividade elétrica volumétrica do concreto (Ω.cm); V = tensão aplicada no concreto (mv); I = corrente elétrica que atravessa o corpo-de-prova (ma); A = área do eletrodo principal (cm 2 ); h = altura do corpo-de-prova (cm) Método dos quatro eletrodos (método de Wenner) O método dos quatro eletrodos é o mais utilizado para medir resistividade elétrica em situações práticas e de maneira não destrutiva. Originalmente foi desenvolvido para medir resistividade elétrica aparente (NBR 7117:81) em solo, mas atualmente tem sido adaptado para ser utilizado no concreto. Quatro eletrodos são colocados em contato com o concreto, eqüidistantes e alinhados entre si, como

28 27 mostra a Figura 06. Uma pequena corrente alternada (I) passa pelos dois eletrodos externos e mede-se a diferença de potencial (V) entre os eletrodos internos. Figura 06 - Método dos quatro eletrodos para medir a resistividade elétrica do concreto. d distância entre eixos dos eletrodos Fonte: CARINO, 1998 apud LIMA, 2000 A diferença de resistividade da pasta e dos agregados é muito grande, e para que a influência da alta resistência individual do agregado não seja significante para a determinação da resistividade elétrica do concreto, é necessário que a distância entre os eixos dos eletrodos (d) seja pelo menos uma vez e meia maior do que o diâmetro máximo do agregado (d 1,5.D máx ). Quando este método é utilizado de forma não destrutiva é necessário garantir o contato entre os eletrodos e o concreto. Em situação de medidas de campo, pode ser utilizado gel de alta condutividade (GOWERS e MILLARD, 1999, apud HOPPE, 2005), porém em estudos de laboratório recomenda-se que o eletrodo fique imerso no concreto, isso gera uma nova variável, que é a profundidade de penetração dos eletrodos no concreto. No método dos quatro eletrodos o efeito de polarização é praticamente nulo, devido ao fato de que a diferença de potencial é medida entre os eletrodos centrais. O efeito de polarização ocorre principalmente devido à concentração de cargas próxima da superfície de contato do eletrodo e gera um aumento da resistência elétrica.

29 Método com dois eletrodos Este é um método simples que utiliza dois eletrodos que podem ser colocados em contato com a superfície no caso de concreto endurecido (Figura 07) ou embutidos no concreto para concreto em qualquer estado, por meio dos quais a tensão é aplicada e a corrente resultante é medida. Figura 07 - Esquema para a determinação da resistividade: método dos dois eletrodos Fonte: MILLARD, 1991 Para o concreto no estado endurecido as medidas obtidas por este método, segundo Millard (1991 apud SANTOS, 2006), são muito influenciadas por alterações no raio do eletrodo em contato com a superfície de concreto e pela presença de agregados nas regiões próximas ao contato. Em seus estudos, Millard mostrou que, quando a área de contato entre o eletrodo e o concreto diminui, a resistividade aumenta rapidamente. Para Polder (2001 apud SANTOS, 2006), as dimensões dos eletrodos exercem grande influência nos valores medidos. Portanto, assim como no método dos quatro eletrodos este método é mais indicado quando os eletrodos são inseridos no concreto, garantindo maior área de contato e diminuindo os efeitos de polarização.

30 Tipos de sinais elétricos e intensidade de corrente Os sinais aplicados aos eletrodos podem ser em corrente alternada ou corrente contínua. Com uso de corrente alternada pode-se variar ainda a forma de onda e a freqüência aplicadas. Impedância é a resistência elétrica à passagem de corrente elétrica alternada. O uso de corrente alternada gera funções complexas com uma componente real e outra imaginária, esta última devido aos efeitos indutivos e capacitivos que geram oposição à passagem de corrente (TORRENTS, RONCERO e GETTU, 1998, apud BETIOLI, 2007). Essa oposição é denominada reatância e por se tratar de fenômenos externos, não são tratados como um efeito microestrutural (MACPHEE, SINCLAIR e COMARK, 1997, apud BETIOLI, 2007). Outro efeito relacionado ao uso de corrente alternada está relacionado ao aumento de resistividade com o aumento da freqüência utilizada (Millard et al. 1989, apud SANTOS, 2006). Polder (2001, apud SANTOS, 2006) recomenda que a freqüência utilizada nos ensaios de resistividade deve estar entre 50 Hz e 1000 Hz. Para a utilização de corrente contínua (CC) o principal efeito está relacionado à variação nas medições devido à polarização dos eletrodos ocasionada pelas interações entre eles e o material de contato. A polarização dos eletrodos libera gases do material em contato, segundo Monfore (1968, apud SANTOS, 2006), e podem ser criados filmes finos de oxigênio, hidrogênio ou outros gases na superfície dos eletrodos, influenciando na diferença de potencial criada. Medidas de resistividade realizadas por Hughes et al. (1985, apud SANTOS, 2006) demonstraram que os resultados obtidos, quando foi utilizada uma fonte de corrente contínua, são um pouco maiores do que os obtidos quando se utilizou corrente alternada, devido aos efeitos de polarização. Estudos realizados por estes autores confirmaram que existe redução dos efeitos de polarização com o uso de pequenas correntes alternadas. Porém, Monfore (1968, apud SANTOS, 2006) afirmou que os efeitos da polarização não são evitados com o uso de corrente alternada, mas somente se manifestam de uma forma diferente. Este mesmo autor também defendeu a possibilidade de utilização de corrente contínua nos ensaios para a medida da resistividade, se a corrente gerada pela polarização ou potencial requerido para superá-la for simplesmente subtraídos do valor total da corrente ou do respectivo

31 30 potencial. A norma NBR 9204:85, que trata da resistividade elétrica volumétrica do concreto endurecido, também determina a utilização de corrente contínua com tensão de 50 ± 0,5 V aplicada aos eletrodos. Considerando as citações anteriores, pode-se concluir que, para o concreto no estado fresco se torna mais interessante utilizar o método com dois eletrodos introduzidos no concreto e com a aplicação de corrente contínua, pois torna a medições mais simples e diretas, sem os efeitos indutivos, capacitivos e de freqüência causados pela corrente alternada. 7.5 Exemplo de correlação da resistividade elétrica aparente do concreto no estado endurecido versus resistência à compressão axial Hoppe (2005) utilizou o método de ensaio de resistividade elétrica aparente com quatro eletrodos, como mostra a Figura 08. As medições foram realizadas no concreto endurecido. Figura 08 - Circuito montado, utilizando método de quatro eletrodos, pronto para leitura Fonte: TIAGO HOPPE, 2005

32 31 A Figura 09 mostra o resultado da relação entre a resistividade elétrica aparente e a resistência à compressão axial das misturas investigadas, aos 91 dias. Estas misturas foram concebidas com os seguintes teores de adições minerais: cinza de casca de arroz: 10%, 20%, 30%; cinza volante: 35%; escória de alto forno: 50%. Figura 09 - Resistividade elétrica aparente versus resistência à compressão axial, aos 91 dias Fonte: HOPPE, 2005 Cada curva é correspondente a uma mistura específica e observa-se que a relação entre resistividade elétrica e resistência à compressão é muito satisfatória, comprovada pelos altos coeficientes de correlação exponencial. Isso ocorre principalmente devido à influência de relação água/cimento e estrutura dos poros comuns às duas propriedades apresentadas.

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