TECNOLOGIA DE DOSAGEM DE CONCRETO

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1 Texto base para o Mini-curso da Comunidade da Construção da Cidade do Recife TECNOLOGIA DE DOSAGEM DE CONCRETO Apresentação Os textos apresentados como base para o este mini-curso são artigos publicados nos anais do 44 o e 45 o Congresso Brasileiro do Concreto, realizados em 22 e 23 respectivamente, e nos anais do V Simpósio EPUSP sobre Estrutura de Concreto, realizado em 23. Os trabalhos foram desenvolvidos pelo grupo de materiais, sob a coordenação dos professores Arnaldo Carneiro e Paulo Regis, e com a participação de alunos de iniciação científica do curso de Engenharia Civil do CTG da UFPE. Os textos estão distribuídos em quatro partes, o primeiro trata da análise de concretos dosados com agregado seixo rolado, sendo o valor do ensaio da Abrasão los Angeles em torno de 6%. O conteúdo dos demais textos é sobre a análise das propriedades de concretos nos estados fresco e endurecido, e que foram dosados com agregados graúdos, que tiveram sua composição granulométrica modificada com misturas ternárias. Ao final tem um quinto texto com as referências bibliográficas dos textos. Prof. Arnaldo Carneiro Departamento de Engenharia Civil Centro de tecnologia e Geociências UFPE Telefones /8221 Cel Recife, setembro de 23

2 Texto 1 - Análise de Propriedades de Concretos Produzidos com Agregados de Composição Granulométrica Otimizada. Resumo Este trabalho tem o objetivo, através de misturas otimizadas de agregados graúdos para constituição de concretos, em fazer análise através das resistências à compressão dos mesmos; para isso foram feitas 6 misturas binárias com dois seixos de distribuição granulométricas diferentes; a saber: Mistura 1 1% de seixo médio; Mistura 2 1% de seixo fino; Mistura 3-5% seixo médio + 5% seixo fino; Mistura 4 4% seixo médio + 6% seixo fino; Mistura 5 3% de seixo médio + 7% de seixo fino; Mistura 6 2% de seixo médio + 8% de seixo fino. Objetiva reduzir o consumo de cimento; com a otimização do emprego do agregado graúdo pois o mesmo representa 8% da composição do concreto e reduzir impactos ambientais em função da exploração de jazidas de agregados. A dosagem do concreto utilizada está de acordo com o método IPT/EPUSP (traço 1:5, com teor de argamassa variando). Os materiais utilizados são os Cimento CP II-Z-32; a areia utilizada na cidade de Belém e as misturas binárias otimizadas de agregados graúdos. Foram moldados corpos-deprovas para ensaios à resistência à compressão na idade de 28 dias. A partir das análises dos resultados, foi observado que vale a pena otimizar a composição granulométrica de misturas binárias do agregado graúdo natural para concreto, pois a mesma diminuiu o consumo de cimento, o de água e aumentou a resistência à compressão. 1. Introdução O estudo da composição do material concreto está em constante avanço, sempre em busca da sua maior durabilidade frente aos agentes agressivos. Este trabalho objetiva analisar propriedades nos estados fresco e endurecido do concreto de cimento, areia e pedra; sendo o agregado graúdo, a pedra, caracterizada por misturas binárias otimizadas de agregados graúdos encontrados na região Metropolitana da cidade de Belém, onde há a predominância de apenas um tipo de agregado, denominado de seixo rolado, com duas classes de distribuição granulométrica, denominada de fina e média. As misturas binárias utilizadas neste trabalho já foram analisadas em outro estudo intitulado Otimização de misturas binárias de agregados para a produção de concreto (CARNEIRO et al, 22), assim as análises dos resultados aqui obtidos serão observações do efeito dessas misturas binárias nas propriedades do concreto. A necessidade do estudo das propriedades de concretos com ênfase no agregado graúdo é devido essa fração inerte representar cerca de 8% da composição de um concreto e que contribui predominantemente para a sua massa específica, módulo de elasticidade e estabilidade dimensional do concreto (METHA et al, 1994). Dentre as características do agregado, que podem influenciar o desempenho do concreto, como a densidade, a resistência ao esmagamento, a forma e a textura, a reatividade com os álcali do cimento, a massa unitária e a distribuição granulométrica. Neste trabalho, serão analisadas apenas a influência da massa unitária e da distribuição granulométrica, das misturas binárias de agregado graúdo nos concretos aqui estudados. Os estudos da possibilidade do aumento da resistência mecânica do concreto através da otimização da composição granulométrica do agregado graúdo remonta ao início do século XX, quando FULLER (197) desenvolveu um estudo de dosar concretos a partir de misturas de agregados com diferentes composições granulométricas, em que buscava a maior compacidade do agregado, pois observou que resulta em concretos com maior resistência mecânica; isto ocorria porque havia para cada grupo de agregados uma proporção de ideal de mistura. O mesmo autor observou que cada mistura tinha uma curva de distribuição granulométrica padrão, cujo perfil era semelhante a uma curva formada: parte pela metade da curva de uma parábola e a outra parte formada por ¼ da curva de uma elipse, como ilustra o gráfico da Figura 1. Esses estudos foram de caráter empírico, mas que proporcionou aos pesquisadores do futuro o desenvolvimento de muitas teorias para obter uma curva de distribuição granulométrica ideal, dentre esses destaca-se o trabalho de FURNAS (1931) desenvolveu um estudo, em que a composição granulométrica ideal para dosar um concreto poderia ser obtida através da equação de uma Progressão Geométrica- P.G. tanto o estudo de Fuller como Furnas vem demonstrar que o aumento da continuidade da distribuição granulométrica aumenta a resistência mecânica e reduz a água de amassamento para uma mesma trabalhabilidade desejada. 2

3 % Passante Peneira (mm) Figura 1 Croqui da curva de distribuição granulométrica de mistura binária de agregado graúdo para concreto proposta por Fuller Este estudo foi realizado por analogia com as conclusões obtidas por CARNEIRO et al. (1997) que observou a influência direta das características dos agregados miúdos, a areia, na resistência mecânica da argamassa, com redução do consumo de aglomerantes e da água de amassamento. Assim infere-se que se as composições granulométricas das misturas binárias, de agregado graúdo dos concretos, que tiverem a maior compacidade e continuidade, os concretos produzidos com essas misturas irão fornecer as melhores propriedades mecânicas, com redução do consumo de aglomerantes e da água de amassamento. Deste modo, acredita-se que esse concreto terá maior durabilidade frente aos agentes agressivos. 2. Método de Estudo O método de estudo para a análise dos concretos consistiu na dosagem de concretos, com o método de dosagem IPT/EPUSP (HELENE et al, 1993), em que foi mantida fixa a relação aglomerante:agregado, a relação água/cimento e o abatimento, tendo como variação a composição granulométrica do agregado graúdo. A proporção de aglomerante:agregado foi fixada em 1:5; este valor foi escolhido por ser considerado um traço usual na cidade de Belém. O valor do abatimento do concreto no estado fresco escolhido foi de 8, ± 1,mm, por representar a trabalhabilidade usual em obras civis. A relação água cimento (a/c) foi fixada inicialmente em.6, no entanto por motivos de uma mistura otimizada apresentar maior consumo de água do que outra ou vice-versa, e sabendo que o importante é acharmos o teor de argamassa ideal para a mistura otimizada para o abatimento de referência, a relação água cimento pode variar Materiais utilizados Cimento O cimento utilizado para a composição do concreto foi o cimento pozolânico CP-II-Z-32, a característica sabida é que a pozolana utilizada é argila calcinada, pois na região norte do Brasil este é o tipo mais comum; as demais características físicas e químicas não foram fornecidas em tempo pelo fabricante Agregados A natureza mineralógica dos agregados miúdo e graúdo, areia e pedra respectivamente, empregados no experimento são de natureza quartzosa. O agregado graúdo e as misturas binárias compostas com eles foram caracterizados quanto a distribuição granulométrica, coeficiente de uniformidade e a massa unitária no estado seco. Para a areia natural foi determinada a curva granulométrica e massa unitária. A determinação da massa unitária no estado seco foi de acordo com a NBR Determinação da massa unitária em estado solto e a determinação da composição granulométrica de acordo com a NBR Determinação da composição granulométrica dos agregados. O coeficiente de uniformidade foi determinado de acordo com o método Allen -Hazen que relaciona C= d6/d1, isto é, d6 é o diâmetro que equivalente a 6% da porcentagem passante de material (CAPUTO, 1983). Estes ensaios foram utilizados também para a caracterização das misturas binárias (Tabela 1). A massa unitária seixo médio e seixo fino são respectivamente, 1,35 kg/dm 3 e 1,454 kg/dm 3, e os coeficientes de uniformidade são respectivamente, C = 1,66 e C =4,14. As curvas granulométricas do seixo médio e seixo fino estão no gráfico da Figura 2. Sobre a reatividade com os álcalis do cimento dos agregados aqui utilizados nos concretos, não há registro de patologias dessa natureza em concretos na Cidade de Belém Pa, pelo que prescreve- 3

4 se que o agregado aqui utilizado, o seixo rolado, pode ser considerado inerte. E, sobre a sua resistência ao esmagamento os ensaios de Abrasão Los Angeles, desenvolvidos no Laboratório de Materiais de Construção Civil da UFPa, de acordo com a NBR 6465 Ensaio de Abrasão Los Angeles, os resultados sempre obtidos foi maior do que 6%, indicado que esse agregado é muito friável. No entanto, apesar de estudos que indicam a influência negativa do agregado friável na resistência mecânica do concreto, como por exemplo FERREIRA (1999), este agregado é correntemente utilizado na cidade de Belém. Quanto, a influência da forma e da textura esse agregado é considerado com formato mais próximo do regular e com textura lisa. % Passante %Passa 1- Seixo médio %Passa 2 - Seixo fino,1,1 1 Peneira (mm) 1 1 Figura 2 Curvas de distribuição granulométrica do seixo médio e fino O agregado miúdo utilizado, a areia natural, foi o disponível na Região Metropolitana da Cidade Belém, com massa unitária igual 1,44 kg/dm 3. A curva granulométrica está no gráfico da figura 3. Essa areia é considerada muito uniforme, pois apresenta grande concentração de uma única faixa de grãos, sua interferência não será considerada na analise, uma vez que o procedimento de dosagem adotado não leva em consideração a distribuição granulométrica da areia % Passante %Passante Areia(1,44 Kg/dm3) 2,1,1 # Peneiras 1 1 Figura 3 Curva da distribuição granulométrica da areia natural 2.2 Planejamento experimental Preparação das misturas: O arranjo das misturas binárias utilizadas, preparadas com seixo médio e seixo fino, e suas características de massa unitária e coeficiente uniformidade estão descritas na tabela 1. 4

5 Tabela 1 Características das misturas binárias para dosagem do concreto Misturas Proporções (%) Massa unitária Coeficiente de Seixo médio Seixo fino (kg/dm 3 ) Uniformidade 1 1 1,35 1, ,454 4, ,373 3, ,446 2, ,42 3, ,368 3, Da analise dos dados das composições binárias, tabela 1, observa-se que o coeficiente do agregado natural seixo médio é o valor mais baixo, isto é, uma curva muito uniforme em relação as demais, o seixo fino apresenta o maior coeficiente, isto é, apresenta a maior continuidade, e que com variação da porcentagem entre esses agregados é possível o aumento da compacidade e da continuidade da distribuição granulométricas das misturas, conforme o gráfico da figura 4. O fato da massa unitária da mistura M6 não ser maior indica que está não possui uma grande concentração de grãos de agregados de um mesmo tamanho no conjunto de partículas. Como ocorre com a mistura 4 que tem uma massa unitária elevada, mais tem um baixo coeficiente de uniformidade. % Passante %Passa 1- Seixo médio %Passa 2 - Seixo fino %Passa 3 - Mistura 5/5 %Passa 4 - Mistura 4/6 %Passa 5 - Mistura 3/7 %Passa 6 - Mistura 2/ ,1, Peneira (mm) Figura 4 Curvas de distribuição granulométrica das misturas binárias de seixo médio e seixo fino Dosagem do concreto: De acordo com o método de dosagem de concreto IPT/EPUSP, foi variado o teor de argamassa até chegarmos a uma mistura com abatimento de 8, ± 1, mm, e com um traço médio 1:5 foi variado o teor de argamassa de 3 até 52%, utilizando 35,4Kg fixos de agregados graúdo para dosagem. A relação água cimento (a/c), inicialmente foi fixada em,6, porém sabemos que as misturas otimizadas possuem granulometria diferente, ou seja, consumos de água diferente para o mesmo abatimento. O cálculo das quantidades de materiais dos concretos para cada teor de argamassa, foi de acordo com o procedimento IPT/EPUSP em que foi adotado inicialmente valores experimentais para o teor de argamassa e relação água cimento, para em seguida acrescentar mais argamassa até atingir o abatimento desejado. Para facilitar o procedimento de dosagem do concreto foi criada uma tabela ( tabela 2) com vários teores de argamassa, desde 3 até 51%, com uma variação acumulada de 1%, porque foi observado em estudo piloto que a variação de teor de argamassa é mais sensível em relação a dosagem de concreto com agregado natural, não sendo utilizado a variação tradicional de 2%. 5

6 Tabela 2 Teores de argamassa utilizados nos concretos Determinação do Teor de Argamassa para o traço Básico de 1:5 Teor de Argam.(%) Traço unitário a Traço unitário p Cimento (Kg) Areia (Kg) Total Acresc. Total Acresc. 3,8 4,2 8,33,12 6,67,6 31,86 4,14 8,45,12 7,27,62 32,92 4,8 8,57,13 7,89,64 33,98 4,2 8,7,13 8,53, ,4 3,96 8,83,14 9,19, ,1 3,9 8,97,14 9,87,7 36 1,16 3,84 9,11,14 1,57, ,28 3,72 9,4,15 12,4, ,34 3,66 9,55,16 12,81,8 4 1,4 3,6 9,71,16 13,61, ,46 3,54 9,87,17 14,43, ,52 3,48 1,4,18 15,28, ,58 3,42 1,22,18 16,16, ,64 3,36 1,4,19 17,7, ,7 3,3 1,59,2 18,2, ,76 3,24 1,79,2 19 1,2 47 1,82 3,18 1,99,21 2,2 1,6 48 1,88 3,12 11,2,22 21,8 1,1 49 1,94 3,6 11,42,23 22,18 1, ,65,24 23,32 1, ,6 2,94 11,89,25 24,51 1, ,12 2,88 12,14-25,75 - Observação: esta tabela serve só para o traço 1:5 e para uma quantidade de agregado graúdo de 35,4kg Procedimentos de ensaio O ensaio de caracterização dos concretos no estado fresco foi o abatimento, que é uma medida de referência para a trabalhabilidade do concreto, e está diretamente relacionada com os fatores teor de argamassa e consumo da água de amassamento, isto é, quanto maior forem esses fatores maior será o valor do abatimento; neste trabalho, com já descrito, o valor do abatimento em relação a altura do tronco de cone de ensaio foi de 8, ± 1, mm. Para o ensaio no estado endurecido foram moldados corpos-de-provas de concretos de 15cm de diâmetro e 3 cm de altura, e período de cura foi 28 dias submersos em água. Após o período de cura foi realizado os ensaios de compressão axial de acordo com a NBR 7222 Argamassa e concreto determinação da resistência à compressão de corpos-de-provas cilíndrico Dados obtidos Na tabela 3 estão os dados teor de argamassa para cada mistura e as respectivas resistências à compressão obtidas. Tabela 3 Dados das características dos concretos produzidos Proporções (%) Misturas Seixo médio Seixo fino Teor de argamassa (%) Resistência à compressão (MPa) , , , , , ,1 6

7 3 Análise dos dados Os dados obtidos foram analisados com base nas seguintes relações: coeficiente de uniformidade versus teor de argamassa; Coeficiente de uniformidade versus resistência à compressão; massa unitária dos agregados versus teor de argamassa e massa unitária dos agregados versus resistência à compressão. O concreto composto com os agregados seixo fino e médio forma os valores de referência, considerados para efeito de analise neste trabalho; o seixo médio como o limite superior e o seixo fino como limite inferior. 3.1 Coeficiente de uniformidade versus teor de argamassa Do gráfico da figura 5, observa-se que o concreto produzido com o agregado natural M1, com o menor coeficiente de uniformidade é o que demandou o maior teor de argamassa, isso ocorreu em função do maior índice de vazios que requer mais argamassa para o abatimento adotado. O concreto produzido com a mistura do M2, com o maior coeficiente de uniformidade foi o que demandou o menor teor de argamassa, pois a mistura é mais compacta entre as demais. Da analise das misturas binárias compostas para produzir concreto, M4, M6 e M5, observa-se que o teor de argamassa necessário foi aproximadamente igual para todas, em torno de 4%, apesar da diferença entre respectivos coeficientes de uniformidade, isso deve provavelmente a maior predominância do seixo fino que tende a aumentar de fato a compacidade das misturas. Para a mistura M3, observa-se o segundo maior coeficiente de uniformidade, no entanto demandou o segundo maior teor de argamassa para o concreto produzido com a mesma, isto ocorreu provavelmente em função dessa mistura não ter a predominância do seixo fino que é o mais contínuo. Teor de argamassa (%) M1 M4 M6 M5 M3 M2 1,66 2,7 3 3,4 3,7 4,14 Coeficiente de uniformidade Figura 5 gráfico da relação coeficiente de uniformidade versus teor de argamassa 3.2 Coeficiente de uniformidade versus resistência à compressão Da analise do gráfico da figura 6, observa-se que as maiores resistências nos concretos foram os produzidos com as misturas M6, M1 e M2. A maior resistência obtida apenas com agregado seixo médio M1 ocorreu devido ao maior teor de argamassa no concreto, e com o seixo fino M2 foi devido a maior continuidade da distribuição granulométrica desse agregado. E, o bom resultado foi o obtido no concreto produzido com a mistura M6 pois foi a que demandou o menor teor de argamassa, mais a sua resistência à compressão foi a maior em função da sua continuidade, apesar do valor C = 3, ser um valor intermediário. Os concretos produzidos com as misturas M4, M5 e M3 obtiveram resistência à compressão próximos em função dos teores de argamassas serem próximos, figura 5, apesar dos valores dos coeficiente de uniformidade serem diferentes, neste caso o valor numérico de C = d6/d1 não foi significativo. 7

8 Resistência à compressão (MPa) M1 M4 M6 M5 1,66 2,7 3 3,4 3,7 4,14 Coefiente de uniformidade M3 M2 Figura 6 Gráfico da relação coeficiente de uniformidade versus resistência à compressão 3.3 Massa unitária versus teor de argamassa Do gráfico da figura 7, observa-se que as massas unitárias das misturas M2, M3, M4, M5 e M6 são crescentes e maiores em relação a da mistura M1, e esta teve o maior consumo de argamassa em função do seu elevado teor de vazios e do seu baixo coeficiente de continuidade. O teor de argamassa nos concretos produzidos com as misturas M4, M5 e M6 estão numa faixa com o intervalo, 35 até 4%, indicando que as misturas produzidas tem eficiência. No entanto, observa-se que concreto produzido com o agregado natural, M2, também está no intervalo, 35 até 4%; isto ocorreu provavelmente devido a ação da distribuição granulométrica contínua do seixo fino, que contribuiu para trabalhabilidade do concreto. Entre as misturas otimizadas observa-se que a mistura M3 teve o maior consumo de argamassa, em torno de 47%, devido a mesma apresentar maior proporção de seixo médio que tem uma composição granulométrica pouco contínua, em relação ao seixo fino, requerendo consequentemente para uma mesma trabalhabilidade estipulada maior teor de argamassa. E, em função da otimização da composição granulométrica da mistura M6, isto é, tornando-a mais contínua, era de se esperar o menor consumo de argamassa, em torno de 35%. Isto se explica por essa mistura ter uma proporção de seixo fino maior que as outras, que tem uma maior continuidade. 8

9 Teor de argamassa (%) M 1 M 6 M 3 M 5 M 2 1,35 1,368 1,373 1,42 1,446 1,454 Massas unitárias (kg/dm3) M 4 Figura 7 Gráfico da relação massa unitária versus teor de argamassa 3.4 Massa unitária versus Resistência à compressão: Do gráfico da figura 8 observa-se que as maiores resistências à compressão são nos concretos produzidos com agregados naturais e com a mistura M6; o valor das resistências obtidas ficou em torno de fc = 24, MPa. Dentre os 3 concretos pode-se dizer que o melhor resultado obtido foi o do concreto produzido com a mistura M6, pois demandou o menor teor de argamassa para a trabalhabilidade estipulada (35%), apesar da massa unitária ser menor em relação as demais misturas (1,368Kg/dm 3 ). O concreto produzido com o seixo médio teve maior resistência em função do maior consumo de argamassa e da baixa continuidade que proporciona maior concentração de agregado graúdo, apesar da menor massa unitária (1,35 Kg/dm 3 ). E, a resistência do concreto produzido com seixo fino foi em função da sua maior continuidade, que em função do melhor empacotamento dos grãos do agregado, proporcionou uma maior compacidade do sistema pasta agregado. Resisência à compressão (MPa) M 1 M 6 M 3 M 5 M 4 M 2 1,35 1,368 1,373 1,42 1,446 1,454 Massas unitárias (kg/dm 3 ) Figura 8 Gráfico da relação massa unitária versus resistência à compressão Os concretos produzidos com as misturas M3, M5 e M4 tiveram as menores resistências, apesar do elevado consumo de argamassa e das maiores massas unitárias em relação à mistura M6. Isto ocorre devido a pouca compacidade obtida com essas misturas através da distribuição granulométrica. A maior massa unitária em relação a mistura M6, indica apenas que houve uma grande concentração de grãos graúdos numa fixa granulométrica, ocasionando a uniformidade da mistura que requer o maior teor de argamassa, e não contribui para o aumento da compacidade do sistema pasta agregado. 9

10 4 Conclusão Da analise dos dados obtidos das propriedades do concretos no estado fresco, o abatimento, e no estado endurecido, a resistência à compressão, de concretos produzidos com misturas binárias, produzidas a partir de agregados naturais com distribuição granulométricas distintas, depreende-se que busca pela otimização da composição granulométrica binária é relevante, pois, favorece o aumento da resistência do concreto com redução do consumo de argamassa, portanto de aglomerante, o cimento, conforme ilustra o gráfico qualitativo da figura 9. O gráfico representa apenas uma hipótese de que o comportamento é linear, para tal comprovação é necessário realizar um estudo com amostragem estatística para saber qual tendência dessas relações: continuidade da distribuição granulométrica do agregado graúdo com resistência mecânica e consumo de aglomerante. Continuidade Consumo de aglomerante Resistência mecânica Figura 9 Gráfico hipotético da relação continuidade da distribuição granulométrica do agregado graúdo com a resistência mecânica e consumo de aglomerante do concreto O procedimento para otimização de misturas binárias pode ser feito através da maior compacidade e continuidade das misturas. A busca pelo aumento da continuidade de uma mistura binária deve ser a meta principal para otimização da dosagem do concreto, pois, pode ocorrer casos em que o perfil da curva granulométrica indica uma continuidade boa do agregado, mas a sua massa unitária é inferior a de outro agregado, porém com curva granulométrica mais uniforme do que contínua, pois o fato da sua massa unitária ser maior pode indicar apenas que existe uma concentração de uma única faixa de grão do agregado. Outrossim, o procedimento de otimizar a composição granulométrica do agregado, que possibilita o seu uso racional, poderá contribuir para reduzir os impactos ambientais causados pela exploração de jazidas de agregados. 1

11 Texto 2 ANÁLISE DA TRABALHABILIDADE DO CONCRETO FRESCO DOSADO COM AGREGADO GRAÚDO COMPOSTO A PARTIR DE UMA CURVA GRANULOMÉTRICA CONTÍNUA OBTIDA POR UMA EQUAÇÃO ALGÉBRICA O EFEITO PAREDE Resumo Este trabalho tem por objetivo a análise da trabalhabilidade de concretos compostos com misturas ternárias de agregados graúdos, brita, 1 e 2 encontrados na cidade do Recife. As misturas ternárias foram compostas a partir da equação do somatório de uma progressão geométrica. Isto é, as porcentagens retidas das frações granulométricas das curvas teóricas correspondem à proporção para cada uma das britas utilizadas na mistura ternária; assim, foram preparadas quatro misturas ternárias. Posteriormente as mesmas foram caracterizadas quanto à densidade de massa aparente e coeficiente de uniformidade. A dosagem dos concretos foi realizada de acordo com o método IPT/EPUSP, com os traços 1:3,5; 1:5 e 1:6,5, sendo que o teor de argamassa variou para cada mistura ternária para atingir o abatimento de 8±1mm no traço 1:5, posteriormente, com este teor de argamassa foram dosados os traços 1:3,5 e 1:6,5, acrescentando água para atingir valor em torno do mesmo abatimento. Os materiais utilizados foram o Cimento CP II Z-32 e a areia utilizada na cidade de Recife. A partir da análise dos resultados, foi observado que a modificação da composição granulométrica da fração inerte o agregado graúdo, na busca da maior continuidade, proporciona redução do consumo de aglomerante e da relação água/cimento para uma mesma faixa de abatimento, isto foi possível em função do efeito parede, que favoreceu o rolamento entre as partículas das misturas ternárias. O coeficiente de uniformidade das misturas ternárias pode ser adotado como um indicador desta redução. 1. Introdução Este trabalho tem por objetivo a análise da trabalhabilidade de concretos de cimento, areia e pedra; em que o agregado graúdo, a pedra, caracteriza-se por misturas ternárias, obtidas com agregados graúdos encontrados na região Metropolitana da cidade do Recife. A importância do estudo da trabalhabilidade de concretos, com ênfase no agregado graúdo, é em função da fração inerte representar cerca de 8% da sua composição, e por influenciar a densidade de massa aparente nos estados fresco e endurecido, as resistências mecânicas, o módulo de elasticidade e a estabilidade dimensional do concreto (METHA et al, 1994). Dentre as características do agregado que podem influenciar o desempenho do concreto cita-se a resistência ao esmagamento; a forma e a textura; a reatividade com os álcalis do cimento; a densidade de massa aparente e a distribuição granulométrica. Neste trabalho a ênfase é a influência da distribuição granulométrica na trabalhabilidade do concreto. A análise da trabalhabilidade dos concretos será com base no conceito do efeito parede, que foi introduzido por CAQUOT (1936), e que pode ser entendido do seguinte modo: seja um sistema de partículas em equilíbrio dispostas num espaço infinito. Se, posteriormente o espaço infinito for delimitado, o sistema de partículas sofre uma perturbação tendendo para um novo arranjo no interior desse espaço limitado, ocorrendo uma alteração no índice de vazios do sistema na vizinhança da parede que limita o espaço. O valor do índice de vazios é máximo na vizinhança da parede e diminui à medida que se afasta da parede. Este fenômeno foi observado por CAQUOT (1936) para um sistema binário de partículas e para um sistema multidimensional; neste último, o mesmo autor observou que a influência do efeito parede é maior nas partículas menores do que nas partículas maiores, em função do envolvimento das partículas maiores pelas partículas menores. Os desenhos das figuras 1 e 2 representam de forma esquemática a idéia de CAUOT (1936). 11

12 Figura 1 Esquema do efeito parede de um sistema binário Figura 2 Esquema do efeito parede de um sistema multidimensional Outro autor, FURNAS (1931), introduziu a idéia do rolling-ball, rolamento de partículas entre elas mesmas do seguinte modo: as partículas maiores rolam sobre as partículas menores, isto é, o rolamento ocorre em função do efeito parede das partículas menores sobre as maiores. Assim, se a distribuição granulométrica do sistema de partículas multidimensional for contínua, o rolamento entre as partículas será mais fácil em relação ao sistema de partículas multidimensional com distribuição granulométrica uniforme, isto é, com a predominância de partículas de um mesmo tamanho. Assim, a fim de dar continuidade a linha de trabalho desenvolvida por estes autores, em tecnologia de concreto, no Departamento de Engenharia Civil DECIV do Centro de Tecnologia e Geociências da UFPE: dosagem de concretos com otimização da composição granulométrica da fração inerte, foi realizado um estudo de concretos em que na dosagem foi variada a composição do agregado graúdo, isto é, a preparação de misturas ternárias. As misturas ternárias foram preparadas com os agregados graúdos brita, brita 1 e brita 2, tendo como base para as proporções das britas, as porcentagens retidas das curvas de composição granulométricas contínuas teóricas, geradas a partir de uma equação do somatório de uma progressão geométrica. Isto é, as porcentagens de cada agregado, brita, brita 1 e brita 2, para as composições ternárias foram obtidas das porcentagens retidas em cada fração granulométrica da curva teórica. Diante do exposto, e por analogia das conclusões obtidas por CARNEIRO et al. (22) que observou a influência de misturas binárias de agregado graúdo nas propriedades dos concretos, como a resistência mecânica, com redução da água de amassamento e do teor de argamassa, infere-se que a variação da continuidade da distribuição granulométrica das misturas ternárias poderá proporcionar aumento do abatimento no concreto com redução do teor de argamassa e da relação água/cimento. Isto ocorre em função do efeito parede entre os grãos das misturas ternárias, isto é, os grãos maiores são apoiados nos grãos menores que servem de parede de apoio para o rolamento. 2. Método de Estudo O método de estudo para a análise dos concretos consistiu nas seguintes partes: - composição das misturas ternárias do agregado graúdo; - dosagem do concreto e - determinação da consistência pelo ensaio de abatimento. 12

13 As curvas granulométricas teóricas foram geradas a partir da equação geral do somatório dos termos de uma progressão geométrica (Equação 1) proposta por FURNAS (1931) apud CARNEIRO (1999). S n = A (1-P n r )/(1-P r ) (Equação 1) Sendo: S n = somatório da P.G. A primeiro termo da P.G. P r razão da P.G. n número de termos da P.G. A dosagem dos concretos foi com base no método de dosagem IPT/EPUSP (HELENE et al, 1993), em que foi determinado o teor de argamassa ideal para que com o traço 1:5 fosse obtido o abatimento em torno de 8 ± 1mm. Posteriormente, com este mesmo teor de argamassa determinado, foram dosados os traços 1:3,5 e 1:6,5, com adição de água para obter o mesmo abatimento. Este procedimento foi repetido para quatro composições granulométricas ternárias, isto é, para cada mistura foram dosados três concretos, de modo que foram obtidos 12 traços de concretos. A determinação do abatimento foi determinada de acordo com a NM 67:96 Concreto Determinação da consistência pelo abatimento do trono de cone. Para a análise dos dados não foi dosado um concreto de referência, assim a comparação será entre os concretos dosados, tendo em vista a maior ou menor continuidade da curva de distribuição granulométrica das misturas ternárias. 2.1 Materiais utilizados Cimento O cimento utilizado para a composição do concreto foi o cimento composto pozolânico CP II-Z32RS; a pozolana utilizada é argila calcinada, pois na região nordeste do Brasil este é o tipo mais comum. As características físicas e químicas são apresentadas nas Tabela 1. Tabela 1 Caracterização física e química do cimento CP II- Z 32RS Água para consistência normal (%) 27,1 Área específica Blaine (NBR 7224/84) (cm 2 /g) 3.45 Finura - resíduo na peneira #2 (%) 2,4 Caracterização física Caracterização química (%) Finura - resíduo na peneira #325 (%) 13, Tempo de pega (NBR 11581/91) Início (min) 145 Fim (min) 21 Expansibilidade a quente (NBR 11582/91) (mm),5 3 dias (MPa) 25,8 Resistência à compressão (NBR 7215/91) 7 dias (MPa) 3,7 28 dias (MPa) 39,2 Perda ao fogo 5,21 Resíduo insolúvel 7,56 Al 2 O 3 5,4 SiO 2 2,57 Fe 2 O 3 2,71 CaO 57,97 MgO 2,6 SO 3 3,1 CaO livre 1,41 Equivalente alcalino em Na 2 O, Agregados A natureza mineralógica dos agregados miúdo e graúdo, areia e pedra respectivamente, empregados no experimento é de natureza quartzosa. O agregado graúdo e as misturas ternárias compostas com eles foram caracterizados quanto ao coeficiente de uniformidade e a densidade de massa aparente no estado seco. Para a areia natural foram determinadas a curva granulométrica e a densidade de massa aparente. A determinação da massa unitária no estado seco foi de acordo com a NBR Determinação da massa unitária em estado solto e a determinação da composição granulométrica de acordo com a NBR Determinação da composição granulométrica dos agregados. O coeficiente de uniformidade foi determinado de acordo com o método Allen -Hazen que relaciona C= d 6 /d 1, isto é, 13

14 d 6 e d 1 são os diâmetros equivalentes a 6% e 1%, respectivamente, da porcentagem passante de material (CAPUTO, 1983). Estes ensaios foram utilizados também para a caracterização das misturas ternárias. O agregado miúdo utilizado, a areia natural, foi o disponível na Região Metropolitana da Cidade do Recife. Essa areia é considerada muito uniforme, pois apresenta grande concentração de uma única faixa de grãos, sua interferência não será considerada na analise, uma vez que o procedimento de dosagem adotado não leva em consideração a distribuição granulométrica da areia. Os dados da areia natural constam na Tabela 2 e curva de distribuição granulométrica no gráfico da figura 2. Na Tabela 3 e 4 constam os dados das britas e no gráfico da figura 4 as curvas granulométricas das britas. Tabela 2 Características da areia natural Características Densidade de massa aparente (kg/dm 3 ) 1,421 Diâmetro máximo característico Dmax.(mm) 4,8 Coeficiente de uniformidade (C = d 6 /d 1 ) 1,5 Peneira (mm) % retida 4,8 1,4 2,4 7,54 1,2 15,34,6 28,51,3 31,41,15 14,3,75 1,86 Passante (%) 1, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, -,1,1 1 1 Peneiras (mm) Figura 3 Curvas de distribuição granulométrica da areia natural Tabela 3 Característica das britas, 1 e 2 Brita Densidade de massa aparente (kg/dm 3 ) Coeficiente de uniformidade (C = d 6 /d 1 ) 1,5 2,67 1 1,46 1,5 2 1,42 1,33 A partir da análise dos dados da Tabela 4, observa-se que nas britas, 1 e 2 as concentrações granulométricas estão nas seguintes faixas: - 79% do material da brita fica retido na peneira com abertura 4,8mm; - 92% do material da brita 1 fica retido na peneira com abertura 9,8mm e - 96% do material da brita 2 fica retido na peneira com abertura 12,5mm. 14

15 Tabela 4 Composição granulométrica das britas de acordo com a NBR 7217 Peneiras (mm) Brita (%retida) Brita 1 (% retida) Brita 2 (%retida) ,3 42,2 12,5 7,7 56,2 55,3 9,5 25,19 35,4 2,2 6,3 4,36 5,5,3 4,8 16,41,3,4 2,4 7,34,16,2 1,2 1,65,5,2,6,7,3,5,3,5,3,1,15,1,3.2,75,1,1 1, Passante (%) 9, Brita 8, Brita 1 7, Brita 2 6, 5, 4, 3, 2, 1, -,1, Peneiras (mm) Figura 4 Curvas de distribuição granulométrica das britas, 1 e Planejamento experimental Preparação das misturas ternárias: As misturas ternárias foram compostas de acordo com a porcentagem de material retido em cada fração granulométrica das curvas teóricas obtidas de acordo com FURNAS (1931) apud CARNEIRO (1999). Para as curvas deste trabalho foi adotado que o numero de termos da P.G. é igual a 4, isto é, cada classe de brita (, 1 e 2) representa um termo, sendo considerado o quarto termo a peneira de maior abertura (mm), em que passam todos as frações granulométricas das britas, 1 e 2. Assim, a partir da análise dos dados da Tabela 4, em que foi determinado em quais peneiras ficam concentradas as frações granulométricas de cada brita, os termos da P.G. são as peneiras com as respectivas aberturas de malha: 19,mm, como sendo o quarto termo em que passam todas as frações; 12,5mm; 9,8mm e 4,8mm. A razão da P.G. define a continuidade do perfil da curva granulométrica, assim, por tentativa e análise qualitativa dos perfis gerados foram definidos quatro valores para razão da P.G., a saber:,5;,6;,75 e,85. Os perfis das curvas obtidas estão no gráfico da figura 5. As composições granulométricas de cada curva teórica constam na tabela 5. 15

16 Passante (%) Curva Teórica A Curva Teórica B Curva Teórica C Curva Teórica D 1 1 Peneiras (mm) 1 Figura 5 Gráfico das curvas granulométricas teóricas Tabela 5 Composições granulométricas das curvas teóricas Peneiras (mm) Brita Curva A,5 Curva B,6 Curva C,75 Curva D,85 19, 12,5 Brita 2 53,4 46, 36,6 31,4 9,8 Brita 1 26,7 27,6 27,5 26,7 4,8 Brita 13,4 16,5 2,6 22,7 1 6,5 9,9 15,3 19,2 Os valores correspondentes à peneira 1 não são levados em consideração, constam na tabela apenas para que a soma seja 1%. Os valores da peneira 1 poderiam ser considerados como parte da fração do agregado miúdo, pois corresponde à fração passante na peneira 4,8mm de abertura, que neste trabalho não está sendo levada em consideração na curva de distribuição granulométrica ternária. Com as porcentagens de cada brita foram compostas as misturas ternárias e em seguida determinada à composição granulométrica real, a fim de observar o quanto diferente ficou da mistura teórica. Na Tabela 6 constam os valores reais das porcentagens retidas de cada mistura ternária e no gráfico da figura 6 as respectivas curvas granulométricas. Passante (%) 1, 9, Curva A 8, Curva B 7, 6, Cruva C 5, Curva D 4, 3, 2, 1, -,1, Peneiras (mm) Figura 6 Curvas de distribuição granulométrica das misturas ternárias com britas 16

17 Tabela 6 Composições granulométricas das mistura ternárias efetivas Peneiras (mm) Curva A,5 (%retida) Curva B,6 (%retida) Curva C,75 (%retida) ,4 21,86 11,4 17,5 12,5 4,61 43,5 31,8 44,3 9,5 16,5 18,2 22,8 23, 6,3 8,9 9,53 2, 13,4 4,8 2, 3,32 7,5 1,7 2,4,59 1,85 3,,1 1,2 1,2 1,5,,6,54 1,,,3 1,,,15,,,75,, Densidade de massa aparente (kg/dm 3 ) Coeficiente de uniformidade Curva D,85 (%retida) 1,699 1,69 1,61 1,5 1,5 2, 2,5 1, Dosagem do concreto: De acordo com o método de dosagem de concreto IPT/EPUSP, foi variado o teor de argamassa até chegarmos a uma mistura com abatimento de 8 ± 1 mm; assim, para o traço inicial 1:5 foi variado o teor de argamassa de 3 até 6%, utilizando 35,kg fixos de agregados graúdos para dosagem. A variação acumulada foi de 1%, pois a variação do teor de argamassa é mais sensível, em relação ao agregado graúdo natural, quando se utiliza agregado graúdo com mistura granulométrica otimizada, assim, não foi utilizada a variação tradicional de 2%. A relação água materiais secos inicialmente foi fixada em 7%, e este valor variou de acordo com as misturas otimizadas. Em seguida foram dosados os traços de concretos com as proporções 1;3,5 e 1:6,5, com o mesmo teor de argamassa, com adição de água até atingir o abatimento em torno de 8 ± 1mm Procedimentos de ensaio O ensaio de caracterização dos concretos no estado fresco foi o abatimento, que é uma medida de referência para a trabalhabilidade do concreto, e está diretamente relacionado com os fatores teor de argamassa e consumo da água de amassamento, isto é, quanto maior forem esses fatores maior será o valor do abatimento; neste trabalho, como já descrito, o valor do abatimento em relação a altura do tronco de cone de ensaio foi de 8 ± 1 mm. Este ensaio foi de acordo com NM 67: Dados obtidos Os dados apresentados referentes ao concreto no estado fresco são o teor de argamassa e a relação a/c de cada família de curva com seus respectivos traços, e o consumo de cimento; nas Tabelas 7, 8 e 9 constam os valores para cada traço de concretos dosados com as diferentes misturas ternárias. Tabela 7 Dados dos concretos dosados com diferentes misturas ternárias para um mesmo traço Traço 1:3,5 Características Curvas A,5 B,6 C,75 D,85 Coeficiente de uniformidade 1,5 2, 2,5 1,5 Densidade de massa aparente (kg/dm 3 ) 1,699 1,69 1,61 1,5 Teor de argamassa (%) Abatimento (mm) Relação a/c,37,37,43,41 Consumo de cimento (kg/m 3 )

18 Tabela 8 Dados dos concretos dosados com diferentes misturas ternárias para um mesmo traço Traço 1:5 Características Curvas A,5 B,6 C,75 D,85 Coeficiente de uniformidade 1,5 2, 2,5 1,5 Densidade de massa aparente (kg/dm 3 ) 1,699 1,69 1,61 1,5 Teor de argamassa (%) Abatimento (mm) Relação a/c,46,5,43,55 Consumo de cimento (kg/m 3 ) Tabela 9 Dados dos concretos dosados com diferentes misturas ternárias para um mesmo traço Traço 1:6,5 Características Curvas A,5 B,6 C,75 D,85 Coeficiente de uniformidade 1,5 2, 2,5 1,5 Densidade de massa aparente (kg/dm 3 ) 1,699 1,69 1,61 1,5 Teor de argamassa (%) Abatimento (mm) Relação a/c,55,57,66,63 Consumo de cimento (kg/m 3 ) Análise dos dados As análises dos dados são divididas em duas partes, a primeira que analisa as características das misturas ternárias, e, a segunda parte que analisa os dados dos concretos no estado fresco, constantes nas tabelas 7, 8 e 9. Para a análise dos dados dos concretos no estado fresco foi relacionado a faixa do abatimento de cada traço, que variou de acordo com a mistura ternária, com o coeficiente de uniformidade das misturas ternárias, o teor de argamassa, o consumo de água e de cimento. A densidade de massa aparente das misturas não foi levada em consideração na análise, pois em estudo prévio foi observado que não havia uma tendência das curvas obtidas nos gráficos. 3.1 Análise das características das misturas ternárias A figura 7 contém quatro gráficos com as curvas de distribuição granulométricas das misturas ternárias teóricas e a real. Observa-se que em todas as misturas, não houve uma superposição das duas curvas, real e teórica, e que a mistura D foi a que ficou mais longe do perfil teórico. 1, 1, 9, 9, 8, 8, 7, % Curva A 7, % Curva B Passante (%) 6, 5, 4, 3, Curva Teórica A Passante (%) 6, 5, 4, 3, Curva Teórica B 2, 2, 1, 1, Peneiras (mm) 1 Peneiras (mm) Curva A Curva B 18

19 Passante (%) 1, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, Peneiras (mm) % Curva C Curva Teórica C Passante (%) 1, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, Peneiras (mm) % Curva D Curva Teórica D 1 Curva C Curva D Figura 7 Gráfico das misturas ternária teórica e real O gráfico da figura 8 demonstra que com o aumento do coeficiente de uniformidade das curvas granulométricas das misturas ternárias, a densidade de massa diminui; isto ocorre porque à medida que aumentam a continuidade de uma distribuição granulométrica, deixa de haver a predominância de grãos com uma única dimensão, passa a ter grãos de dimensões variáveis, o que diminui a densidade de massa medida, apesar da boa compacidade do sistema de grãos. Quando ocorre a predominância de um único tipo de grão a densidade de massa tende a ser maior em relação a uma mistura de grãos contínua, pois esta predominância aumenta o valor da densidade de massa, mas a compacidade do sistema de grãos não é satisfatória, pois deixa de haver o preenchimento dos vazios entre grãos de diâmetro D, por grãos de diâmetro d, onde D >> d. O caso das misturas A e D terem o mesmo coeficiente de uniformidade, mas densidade de massas diferentes, pode ser um indicativo de que o ponto ótimo para misturar as três britas é com a curva C; isto é, o fato de aumentar a continuidade através do aumento da razão da progressão geométrica da equação 1 não contribui para a aumentar a compactação do sistema. Coeficiente de uniformidade Coeficiente de uniformidade 3 2,5 2 1,5 1,5 Densidade de massa aparente (kg/dm3) A B C D Curvas 1,75 1,7 1,65 1,6 1,55 1,5 1,45 1,4 Densidade de massa aparente (kg/dm 3 ) Figura 8 Coeficiente de uniformidade versus densidade de massa aparente (kg/dm 3 ) 3.2 Características das misturas ternárias versus características do concreto no estado fresco No gráfico da figura 9 que relaciona o coeficiente de uniformidade versus o abatimento dos traços de acordo com a curva de distribuição granulométrica, observa-se a tendência de redução do abatimento dos concretos à medida que aumenta o coeficiente de uniformidade, acredita-se isto ocorre em função da maior coesão do concreto fresco, pois o empacotamento da mistura ternária, mais o cimento e a areia, aumentam a consistência do concreto, medida pelo abatimento no tronco de cone. Outrossim, o gráfico da figura 1 indica que o aumento do teor de argamassa no concreto fresco reduz o abatimento do concreto, isto é, mantêm a consistência do concreto elevada. 19

20 Em ambos gráficos, das figuras 9 e 1, observa-se que a faixa de abatimento é maior para os concretos com a proporção 1:3,5 e reduzindo para as proporções 1:5 e 1:6,5. Este fato pode ser explicado pela variação da distribuição granulométrica das misturas ternárias, pois os menores valores de abatimento correspondem às curvas com menor continuidade, e as curvas mais contínuas são as que fornecem os concretos mais consistentes. De acordo com o gráfico da figura 11 a relação água/cimento tende a diminuir com o aumento do abatimento, este fato pode ser explicado pelo aumento do coeficiente de uniformidade da mistura ternária, que requer menos água para o concreto, e também, em função do aumento do teor de argamassa. Neste mesmo gráfico, pode ser observado que as faixas de consumo de água tende a diminuir com o aumento da proporção de aglomerante no concreto Abatimento1:3,5 Abatimento 1:5 Abatimento 1:6,5 Abatimento (mm) ,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 Coeficiente de uniformidade Figura 9 Relação coeficiente de uniformidade versus abatimento (mm) Abatimento (mm) Abatimento1:3,5 Abatimento 1:5 Abatimento 1:6, Teor de argamassa (%) Figura 1 Relação teor de argamassa (%) versus abatimento (mm) De acordo com gráfico da figura 12, o consumo efetivo de aglomerante entre os traços dos concretos variou significativamente de acordo com a proporção aglomerante:agregado, a saber: - traço 1:3,5 consumo de cimento 45 kg/m 3 a 5 kg/m 3 ; - traço 1:5, consumo de cimento 35 kg/m 3 a 4 kg/m 3 e - traço 1:6,5 consumo de cimento em torno de 3 kg/m 3. 2

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