CONCRETOS ESPECIAIS PROPRIEDADES, MATERIAIS E APLICAÇÕES

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA UNESP - CAMPUS DE BAURU/SP FACULDADE DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL RELATÓRIO FINAL DE PESQUISA Bolsa de Iniciação Científica FAPESP Processo n. 06/ Período: 01/03/07 a 10/02/08 CONCRETOS ESPECIAIS PROPRIEDADES, MATERIAIS E APLICAÇÕES Aluna: Paula Sumie Watanabe Orientador: Prof. Dr. Paulo Sérgio dos Santos Bastos Bauru/SP Fevereiro/2008

2 RESUMO O concreto normal, feito com cimento Portland e agregado natural convencional apresenta diversas deficiências. Em função destas deficiências, bem como da necessidade de ampliar as eficiências do material, como o aumento da resistência e durabilidade, os engenheiros projetistas de estruturas de concreto armado devem estar sempre atentos não somente à resistência característica à compressão do concreto, mas também ao tipo de cimento, qualidade do agregado, fator água/cimento, adições e aditivos utilizados na dosagem do concreto, como forma de garantir à estrutura uma durabilidade mínima requerida por projeto, função também de sua utilização. A evolução da tecnologia do concreto vem ocorrendo de maneira muito rápida nas últimas décadas, com o surgimento de novos materiais e aditivos químicos. E a tendência futura é cada vez mais utilizar concretos com características específicas, os chamados concretos especiais, definidos como concretos com características particulares para atender as necessidades das obras, de modo a serem empregados em locais/condições em que os concretos convencionais não podem ser aplicados. Nesse sentido, este trabalho apresenta uma descrição objetiva dos conceitos, características, materiais e propriedades dos principais concretos especiais, como de alto desempenho, auto-adensável, massa, rolado, leve, pesado, com resíduos reciclados, projetado, com fibras, com polímeros, concreto colorido, branco e o graute. São apresentadas também, as principais aplicações dos concretos especiais em obras já executadas, no Brasil e no mundo.

3 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO Introdução Definições Desenvolvimento Histórico Materiais Componentes Água de Amassamento Cimento Agregados Agregado Miúdo Agregado Graúdo Aditivos Químicos Aditivos Minerais Proporcionamento Comportamento no Estado Fresco Comportamento no Estado Endurecido Durabilidade Mistura Dosagem e Produção Transporte, Lançamento e Adensamento Cura Considerações Econômicas Exemplos de Aplicação dos CAD CONCRETO AUTO-ADENSÁVEL Introdução Desenvolvimento Histórico Materiais Água Cimento...25

4 3.3.3 Agregados Agregados Miúdos Agregados Graúdos Aditivos Superplastificantes Promotores de Viscosidade Adições Fíler Calcário Cinza Volante Sílica Ativa Utilização de Resíduos Métodos de Dosagem Método de Okamura Método de Gomes Método EFNARC Propriedades do Concreto Auto-Adensável no Estado Fresco Propriedades do Concreto Auto-Adensável no Estado Endurecido Transporte Lançamento Cura Aplicações do Concreto Auto-Adensável CONCRETO MASSA Introdução Desenvolvimento Histórico Materiais Cimentos Agregados Adições Aditivos Transporte Lançamento e Adensamento Cura Controle do Aumento da Temperatura nos Concretos Massa Aplicações do Concreto Massa...50

5 5. CONCRETO COMPACTADO COM ROLO Introdução Concreto Compactado com Rolo para Pavimentos Concreto Compactado com Rolo para Barragens Desenvolvimento Histórico das Barragens em CCR Materiais Cimento Agregados Aditivo Mistura, Transporte, Lançamento, Adensamento e Cura Aplicações do Concreto Compactado com Rolo em Barragens Usina Hidrelétrica Itaipu Usina Hidrelétrica de Salto Caxias Barragem em Arco Shimenzhi, China CONCRETO ESTRUTURAL LEVE Introdução Definição Desenvolvimento Histórico Agregados Leves Estrutura Interna Dosagem Produção dos Concretos Leves Estruturais Transporte Lançamento Adensamento Cura Trabalhabilidade dos Concretos Leves no Estado Fresco Propriedades dos Concretos Leves no Estado Endurecido Resistência à Compressão e Massa Específica Resistência à Tração Durabilidade Aplicações dos Concretos Leves CONCRETO PESADO Definição...77

6 7.2 Materiais Componentes Cimento Água de Amassamento Agregados Aditivos Propriedades Importantes dos Concretos Pesados CONCRETO COM RESÍDUOS Introdução Resíduos de Construção e Demolição (RCD) entulho Classificações dos Resíduos da Construção Civil Aplicações dos Materiais Provenientes da Reciclagem de Entulhos Formas de Adição do Entulho em Argamassas e Concretos Dificuldades no Emprego dos Agregados de RCD Reciclados em Concretos Pouca eficiência na triagem da fração mineral do RCD Variabilidade intrínseca dos agregados de RCD reciclados Insuficiência dos métodos de controle de qualidade Necessidade de controle no processamento do RCD mineral Utilização do Concreto com Agregados Reciclados no Mundo Utilização de Agregados Reciclados no Brasil Estrutura do Concreto com Agregado Reciclado Agregado Matriz (Pasta de Cimento) Procedimento Para a Produção de Concretos Reciclados Propriedades dos Concretos com Agregados Reciclados Consistência/Trabalhabilidade Massa Específica Tempo de Pega Resistência à Tração Resistência à Compressão Permeabilidade/Absorção Retração por Secagem CONCRETO PROJETADO Definição e Aplicação Tipos de Pojeção...104

7 9.3 Reflexão do Concreto Projetado Problemas inerentes Materiais Cimento Agregados Água Aditivos Adições Equipamentos para Projeção do Concreto Equipamentos de Projeção para Via Seca Equipe de trabalho Processo de execução Procedimentos preliminares Dosagem Mistura Lançamento Acabamento Cura Controle de Qualidade CONCRETO COM FIBRAS Introdução Tipos de Fibras Disponíveis Fibras Naturais Fibras Poliméricas Fibras de Polipropileno Fibras de Polietileno Fibras de Poliéster Fibras de Poliamida (Kevlar) Fibras Minerais Fibras de Carbono Fibras de Vidro Fibras de Amianto Fibras Metálicas Quantidade de Fibras no Concreto...143

8 10.4 Aplicações Reforço de Base de Fundações Superficiais Concreto para Pavimentos Concreto Projetado para Túneis Outras Aplicações Dosagem do Concreto com Fibras Durabilidade do Concreto Reforçado com Fibras de Aço Vantagens e Desvantagens CONCRETO COM POLÍMEROS Tipos de Concreto com Polímeros Materiais Poliméricos Concreto/argamassa impregnados de polímero Concreto/argamassa modificados com polímero Concreto/argamassa poliméricos CONCRETO COLORIDO Introdução Aplicações de cor no concreto Cuidados com Concretos Coloridos Exemplos de Aplicação dos Concretos Coloridos CONCRETO BRANCO Introdução Materiais constituintes Cimento Branco Agregados Aditivos Adições Minerais Lançamento e Vibração Desfôrma e Proteção Análise Econômica Exemplos de Aplicação do Concreto Branco GRAUTE Definição Outros Grautes Uso e Configuração...178

9 15. CONCRETOS DO FUTURO Introdução Concreto com Cura Interna Concreto Condutivo Concreto de Retração Reduzida Concreto de Retração Compensada Concreto Translúcido REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...181

10 Relatório Final Concretos Especiais - Propriedades, Materiais e Aplicações 1 1. INTRODUÇÃO Durante o século XX o concreto foi o material de construção mais utilizado em todo o mundo, e a tendência para o século XXI é de aumento de sua demanda. O consumo aumentou de 2 milhões de toneladas em 1890 para 1,3 bilhões em Para o ano de 2010 está sendo projetado que o consumo aumentará para 1,95 bilhões de toneladas (LEW, 2004). Os concretos convencionais, com resistência à compressão entre 10 MPa e 50 MPa, compostos por cimento, agregados naturais e água, são os concretos mais utilizados em todo o mundo. Apesar do uso intenso, os concretos convencionais apresentam algumas deficiências importantes, que justificaram ao longo dos anos o surgimento dos chamados concretos especiais, com características diferentes, e que trouxeram alguns avanços em relação aos concretos convencionais. As principais deficiências que os concretos convencionais apresentam são: baixa relação resistência-peso, dificuldade de preencher peças esbeltas muito armadas, retração plástica, baixa ductilidade e permeabilidade em ambientes úmidos, além do problema da geração de entulhos de construção que contribui com o impacto ambiental. Ainda não foram criados concretos que superem todas as deficiências listadas, porém, os concretos especiais já existentes foram desenvolvidos visando superar as deficiências que são especificamente importantes em determinados tipos de construção. Segundo FIGUEIREDO et al. (2004), os concretos especiais podem ser definidos como: Concretos com características particulares devido à evolução tecnológica: melhorando as deficiências do concreto convencional ou incorporando propriedades não inerentes a este material; Concretos com características particulares para atender necessidade das obras: desenvolvimento de produtos para serem empregados em locais/condições em que o concreto convencional não pode ser aplicado. Sendo o concreto o material de construção civil mais utilizado atualmente, é justificável o elevado número de pesquisas destinadas a compreender o seu comportamento, contribuindo, assim, para o seu melhoramento. Nos últimos anos, inúmeros materiais foram investigados para serem acrescentados no proporcionamento do concreto, permitindo que as suas características de resistência e durabilidade sejam superadas. Como exemplo pode-se citar o crescente desenvolvimento da indústria de aditivos químicos, a utilização de fibras de aço e polipropileno e principalmente a utilização de adições minerais com características de superpozolanicidade, como a sílica ativa e o metacaulim.

11 Relatório Final Concretos Especiais - Propriedades, Materiais e Aplicações 2 Nesse sentido foram desenvolvidos os concretos leves, de alto desempenho, autoadensável, massa, pesado, rolado, com retração compensada, com fibras, com polímeros, entre vários outros tipos de concretos especiais. Mais recentemente, outros aspectos, além do comportamento mecânico e durabilidade, estão sendo levados em conta quando o assunto é estrutura em concreto, principalmente nos casos de concretos aparentes. A exigência em relação à característica estética deste material tem sido foco de discussões realizadas no meio técnico, gerando, então, a necessidade de produzir concretos com valor estético agregado, não apenas pelas suas formas arquitetônicas, mas também através de cromaticidades diferenciadas. Em função da demanda pela cor é que as produções do cimento branco assim como o concreto com pigmentos ganharam força no mercado mundial. 2. CONCRETO DE ALTO DESEMPENHO 2.1 INTRODUÇÃO O concreto armado é, hoje, o material de construção mais utilizado no mundo. Apesar do uso intenso, grande parte das obras de construção civil, infra-estrutura de transportes, projetos arquitetônicos, plantas industriais, etc., vêm passando por uma fase de vida em que, a inspeção, a avaliação do desempenho em serviço, a recuperação e, eventualmente, até o reforço estrutural têm sido necessários. Após anos de pesquisas, foi desenvolvido um material de elevada resistência mecânica e com maior durabilidade do que o concreto tradicional. Além de apresentar a mistura de brita, areia, cimento e água, em sua constituição, são incorporados alguns aditivos químicos e minerais. O concreto de alto desempenho (CAD) caracteriza-se por apresentar maiores resistências mecânicas, ser mais durável com relação aos ataques de agentes agressivos do ambiente e é mais trabalhável em obra do que o concreto convencional. Apresenta ainda menores despesas com manutenção e reparos. Uma das maiores vantagens do CAD é sua capacidade de carga por unidade de custos maior do que a obtida em concretos correntes, fato que, em algumas formas de aplicação, compensa todos os custos envolvidos na produção do CAD.

12 Relatório Final Concretos Especiais - Propriedades, Materiais e Aplicações 3 A utilização mais comum é nos pilares de edificações, em que geralmente são obtidas reduções de áreas e volumes das peças estruturais, as quais proporcionam ampliação da área útil das edificações, maior liberdade arquitetônica, agilidade na construção em altura, maior reaproveitamento de fôrmas, redução da quantidade de fôrmas, armação e concreto, menor encurtamento axial, etc. Outras aplicações do CAD são as pontes e obras de arte especiais, as peças estruturais pré-fabricadas, os pisos e pavimentos, as recuperações estruturais, entre outras. Em pontes, o uso do CAD proporciona projetos mais leves e esbeltos, com maiores vãos, menor sensibilidade às solicitações dinâmicas, de construção mais fácil e rápida, maior economia e de menor necessidade de manutenção. O emprego do CAD em estruturas pré-fabricadas torna mais rápida a re-utilização de fôrmas, moldes e mesas de moldagem, uma vez que esse material desenvolve rápida resistência. As principais vantagens técnicas do CAD em relação ao concreto convencional são as seguintes: redução significativa nas dimensões de pilares de edifícios altos, aumentando a área útil dos diversos pavimentos e, principalmente, nos andares mais sobrecarregados e nos destinados para vagas de estacionamento; redução do peso próprio da estrutura e, conseqüentemente, na carga das fundações; possível redução nas taxas de armadura dos pilares; maior rapidez na deforma, aumentando a velocidade de execução da obra; menor segregação, propiciando melhor acabamento, especialmente em peças prémoldadas; aumento da durabilidade das estruturas, devido a sua baixa porosidade e permeabilidade e maior resistência aos agentes agressivos do ambientes; possível redução de custos devido, principalmente, à diminuição dos elementos estruturais, tais como pilares e fundações, acarretando redução no consumo total de concreto, aço e fôrma empregados, e pelo aumento da velocidade de execução, diminuindo os juros durante a construção. 2.2 DEFINIÇÕES Ainda não existe um consenso claro no meio científico sobre o significado das expressões concreto de alta resistência (CAR) e concreto de alto desempenho (CAD), que teria uma abrangência mais ampla podendo ser aplicada a várias propriedades de interesse. Ambas as

13 Relatório Final Concretos Especiais - Propriedades, Materiais e Aplicações 4 expressões vêm sendo utilizadas comumente por muitos pesquisadores para designar o mesmo material. São diversas as definições do CAD, que foram propostas em diversos países ao longo do tempo. Além de estarem associadas à resistência e durabilidade, podem estar relacionadas também à consistência, pega, acabamento e estabilidade volumétrica. A definição mais simples do CAD, divulgada em 1999 pelo American Concrete Institute diz: CAD é o concreto otimizado para uma determinada utilização. A NBR 8953 (1992) classifica os concretos em dois grupos de resistência, segundo a resistência característica à compressão (f ck ): no grupo I estão os concretos entre 10 e 50 MPa, e no grupo II, os concretos de 55 a 80 MPa. De acordo com a norma, os concretos pertencentes ao grupo II (f ck > 50 MPa) são concretos com características e resistências além do convencional, para os quais as atuais normas brasileiras não são apropriadas. Neste sentido, devido às suas características diferenciadas, parece razoável considerar estes concretos como de alta resistência. MEHTA e MONTEIRO (1994) consideram que, para dosagens feitas com agregados normais, os concretos de alta resistência são aqueles que apresentam resistência à compressão maior que 40 MPa. Dois argumentos foram utilizados para justificar essa definição: a maioria dos concretos convencionais está na faixa de 21 a 42 MPa. Para produzir concretos acima de 40 MPa são necessários controle de qualidade mais rigoroso e maior cuidado na seleção e na dosagem dos materiais constituintes do concreto. Assim, para distinguir este concreto especialmente formulado para uma resistência maior que 40 MPa, deve-se chamá-lo de concreto de alta resistência; estudos experimentais comprovaram que a microestrutura e as propriedades do concreto com resistência acima de 40 MPa são consideravelmente diferentes das dos concretos convencionais. Como a prática atual de dimensionamento de estruturas ainda está fundamentada em experimentos realizados com concretos convencionais, é preferível manter os concretos com resistências acima de 40 MPa em uma classe diferenciada, de maneira a alertar o projetista da necessidade de ajustes nas equações existentes. AÏTCIN (2000) classifica os concretos sem envolver diretamente a resistência à compressão como parâmetro principal. Segundo o referido pesquisador, um concreto de alto desempenho é essencialmente um concreto tendo uma relação água/aglomerante baixa, estabelecida em 0,40.

14 Relatório Final Concretos Especiais - Propriedades, Materiais e Aplicações 5 No caso do concreto de alta resistência contendo superplastificante e sílica ativa, o aumento da resistência está associado a uma microestrutura mais densa e com menos vazios. Dessa maneira, as aplicações desse concreto estão ligadas não só a resistência à compressão do material, mas também a outras propriedades vantajosas como baixa permeabilidade, alta estabilidade dimensional, alta resistência à abrasão, alta resistência ao ataque de agentes agressivos, ou seja, maior durabilidade. Por essas razões, vários pesquisadores denominam esse concreto de concreto de alto desempenho (CAD). 2.3 DESENVOLVIMENTO HISTÓRICO Com os avanços na tecnologia do concreto nas últimas décadas, o conceito de concreto de alta resistência foi se alternando. Lentamente, o concreto de alta resistência foi introduzido no mercado dos edifícios de grande altura em Chicago nos anos 60 e início dos anos 70, e a partir daí passou a ser utilizado em várias partes do mundo e veio, cada vez mais, a ser chamado de concreto de alto desempenho. Na década de 50, os concretos com 35 MPa eram considerados de alta resistência. Na década de 60, concretos de 40 a 50 MPa já estavam disponíveis comercialmente. No início dos anos 70, os concretos de alta resistência atingiram a barreira técnica dos 60 MPa. Durante os anos 80, com o advento dos superplastificantes e da utilização metódica da sílica ativa esta barreira foi ultrapassada, chegando a concretos de alto desempenho com resistência mecânica à compressão da ordem de 100 MPa. Hoje em dia, resistências da ordem de 140 MPa estão sendo utilizadas na construção de edifícios altos em algumas partes do mundo (CEB/FIP, 1990; ACI 363R-92, 2001; AÏTCIN, 2000). Nos últimos 20 anos, estudos intensos sobre CAD têm sido realizados em diversos países, com o intuito de fornecer aos engenheiros as informações necessárias sobre suas propriedades, bem como dar subsídios para adaptação das normas de concreto às características diferenciadas deste novo material. A aplicação em escala real dos CAD, a transição da teoria para a prática, do laboratório para o canteiro de obras, teve de ultrapassar vários obstáculos, tais como: a reduzida trabalhabilidade das composições inicialmente desenvolvidas, os conservadorismos de arquitetos e engenheiros, a pequena disponibilidade comercial em centrais pré-misturadoras, as limitações impostas pelos códigos de obra ou de cálculo estrutural, o desconhecimento do comportamento ao longo prazo do material, etc., até atingir o estágio que hoje desfruta, de um bom material de construção, cujo consumo apenas começa a aumentar em termos mundiais (ALMEIDA, 2005).

15 Relatório Final Concretos Especiais - Propriedades, Materiais e Aplicações 6 O CAD tornou-se uma linha prioritária de pesquisa na área de materiais e, atualmente, a bibliografia sobre o tema é bastante ampla. Com relação aos estudos sobre CAD no Brasil, um número crescente de pesquisas tem sido desenvolvido nos últimos anos, em trabalhos abordando diversos aspectos do material. 2.4 MATERIAIS COMPONENTES Os critérios utilizados na seleção dos materiais para produção dos concretos convencionais não são suficientes para serem aplicados na produção de concretos de alto desempenho. A seleção de materiais para a produção de CAD é mais complicada e deve ser feita cuidadosamente, uma vez que os cimentos e agregados disponíveis apresentam grandes variações nas suas composições e propriedades. Outro fator importante é a diversidade de aditivos químicos e adições minerais existentes que podem ser utilizados simultaneamente, dificultando ainda mais a escolha dos materiais mais adequados. AÏTCIN (2000) afirma que a melhor forma de garantir a seleção da maioria dos materiais adequados para o CAD é por meio da realização de estudos preliminares em laboratório Água de Amassamento A água ocupa um papel secundário em termos de componentes do concreto. A dosagem de água dos concretos depende de muitos fatores tais como, o tamanho, a forma, a absorção e a densidade dos agregados, a natureza e a dosagem de cimento e a temperatura e trabalhabilidade do concreto Cimento A escolha do cimento é de fundamental importância para a confecção do CAD, uma vez que o cimento influencia na resistência da pasta e na intensidade da aderência agregado-pasta. A princípio, qualquer tipo de cimento pode ser utilizado para a obtenção de CAD. Entretanto, o ACI 363R-92 (2001) coloca que o melhor cimento é aquele que apresenta menor variabilidade em termos de resistência à compressão. GUTIÉRREZ e CÁNOVAS (1996) afirmam que é necessária a utilização de cimentos de alta resistência para produção de CAD.

16 Relatório Final Concretos Especiais - Propriedades, Materiais e Aplicações 7 Nos casos em que alta resistência inicial seja o objetivo, deve-se dar preferência ao uso de cimento Portland de alta resistência inicial (ACI 363R-92, 2001; AGNESINI e SILVA, 1996). Contudo, para a seleção final do cimento mais adequado, além de suas propriedades mecânicas, outros três fatores importantes devem ser levados em consideração: sua finura, sua composição química e sua compatibilidade com os aditivos. Em termos de finura, quanto maior for a superfície específica em contato com a água, mais rapidamente ocorrerá a hidratação do cimento, aumentando-se sua resistência à compressão, principalmente nas primeiras idades. Por outro lado, quanto mais fino o cimento, maior a dosagem de superplastificante necessária para alcançar uma mesma trabalhabilidade, uma vez que a eficiência do aditivo é influenciada diretamente pela finura do cimento. Em relação à composição química, existem indicações de que o cimento deve possuir baixo teor de C 3 A (embora teores normais possam não influenciar negativamente a resistência à compressão dos concretos) e altos teores de C 2 S e C 3 S. Em virtude do problema de compatibilidade cimento-aditivo, alguns cimentos podem até serem rejeitados devido à impossibilidade de manter a trabalhabilidade por um período suficiente para o lançamento adequado do concreto. A causa principal é a elevada quantidade de C 3 A, C 3 S e álcalis que levam a uma redução da fluidez e rápida perda de trabalhabilidade. As dosagens de cimento usualmente empregadas na fabricação de CAD variam, em geral, na faixa compreendida entre 400 e 600 kg/m³, enquanto que no concreto convencional estão na faixa de 300 kg/m³. O emprego de altos consumos pode ser limitado por fatores como a elevação da relação a/c a partir de certos limites, a elevação da temperatura do concreto, a maior dificuldade de obtenção de misturas homogêneas, a perda acelerada de abatimento e a maior sensibilidade à cura. O excesso de cimento pode ainda levar a uma queda de resistência mecânica, em virtude da perda de aderência entre a pasta e o agregado, resultante da fissuração por tensões de retração. A solução para este problema pode ser conseguida com a substituição parcial do cimento por materiais cimentícios suplementares, como a sílica ativa e pelo aumento da eficiência do cimento no concreto, obtida com o auxílio dos aditivos superplastificantes. A natureza do cimento influencia a demanda de água dos concretos para a obtenção de uma dada trabalhabilidade. Em geral, os cimentos de alta resistência exigem mais água para atingir um certo abatimento do que os cimentos comuns.

17 Relatório Final Concretos Especiais - Propriedades, Materiais e Aplicações Agregados No Brasil ainda não existe uma norma específica para a qualificação dos agregados para o emprego em CAD, portanto, devem ser atendidas as exigências mínimas prescritas nas normas atuais para concretos convencionais (NBR 7211, 1983; NBR 12654, 1992). Em geral, a resistência dos agregados deverá ser mais elevada do que a classe de resistência do concreto que se pretende obter, para que a tensão nominal de compressão aplicada no concreto não exceda a tensão real nos pontos de contato das partículas individuais do agregado na massa de concreto. O tamanho dos agregados influencia a relação a/c dos concretos. Em geral, os materiais mais grossos necessitam de menos água devido à sua menor superfície específica. Isso proporciona uma trabalhabilidade com uma relação a/c menor. Em geral, os CAD devem apresentar as seguintes dosagens de agregados: - agregados graúdos: de 1000 a 1150 kg/m³; - agregados miúdos: de 420 a 750 kg/m³ Agregado Miúdo A escolha do agregado miúdo é determinada tanto pelo seu efeito na demanda de água como pelo seu empacotamento físico. Desse modo, quanto à forma, são preferíveis as partículas arredondadas e lisas, pois exigem menos água de amassamento. Em relação à procedência dos agregados miúdos, tanto as areias naturais de rios, quanto as artificiais, obtidas por britamento de rocha, podem ser utilizadas. Entretanto, areias naturais de rio demandam menos água, sendo, portanto, preferíveis. No CAD com adição de sílica ativa, devido ao teor elevado de finos, é aconselhável a redução do consumo de areia e/ou a utilização de areia com módulo de finura maior. O agregado miúdo deve apresentar preferivelmente um módulo de finura elevado, superior a 2,8 ou 3,0. O uso de uma areia mais grossa, pela sua menor superfície específica, necessita de menos água de amassamento, proporcionado a obtenção de uma dada trabalhabilidade com uma relação a/c menor. Recomenda-se ainda que o agregado miúdo seja proveniente de rio, com quantidade mínima de finos, limpo e livre de impurezas orgânicas, argila e silte.

18 Relatório Final Concretos Especiais - Propriedades, Materiais e Aplicações Agregado Graúdo A seleção do agregado graúdo adequado é condição fundamental para a produção de concretos de alto desempenho. Por esta razão, além de atender as exigências mínimas prescritas nas normas para concreto convencional, é importante que algumas características do agregado graúdo sejam analisadas com maior atenção, pois podem afetar sensivelmente as propriedades do concreto, tanto no estado fresco como no estado endurecido. De modo geral, os agregados graúdos devem apresentar as seguintes características: Boa resistência à compressão; Módulo de elasticidade maior ou igual ao da pasta de cimento; 100% britado, o que resulta em maior aderência; Possuir mínimo de partículas alongadas e achatadas, pois partículas com angulosidade acentuada provocam a elevação da quantidade de água necessária para atingir uma certa trabalhabilidade; Granulometria que minimize o consumo de água e/ou a concentração de tensões; Forma e textura superficial que favoreçam a aderência com a pasta; Propriedades químicas adequadas para evitar deterioração devido à composição do cimento ou ataque de agentes externos; Devem ser limpos e isentos de substâncias deletérias. Alguns autores utilizam a lavagem dos agregados graúdos como forma de minimizar a quantidade de pó e substâncias deletérias presentes na superfície dos agregados e fortalecer a aderência na ligação agregado-pasta. A adoção deste procedimento conduz a ganhos de até 8% na resistência à compressão do CAD. Para fabricação de CAD têm sido empregadas rochas comuns britadas, como, por exemplo, o calcário, o granito, o basalto, o dolerito, a diabase e até mesmo os seixos rolados Aditivos Químicos Os aditivos químicos, atuando como plastificantes e redutores da água de amassamento, permitem a confecção de concretos trabalháveis, com uma relação a/c baixa, como ocorre na fabricação dos CAD.

19 Relatório Final Concretos Especiais - Propriedades, Materiais e Aplicações 10 A influência de qualquer aditivo redutor de água depende da dosagem do cimento, da consistência, do processo de mistura, das condições de cura, da temperatura do ambiente e do concreto, da natureza do cimento, da granulometria dos agregados, entre outros. O emprego de bases químicas tende a diminuir as perdas aceleradas de abatimento, incorporações inesperadas de ar, exsudações e alterações imprevistas nos tempos de pega dos concretos. Para a composição de CAD, as dosagens usuais variam entre 1% a 3% da massa de cimento. Os aditivos superplastificantes proporcionam ao concreto as seguintes vantagens: Ganhos de resistência excepcionais; Redução da permeabilidade; Diminuição da segregação; Redução no consumo de cimento; Melhoria considerável da trabalhabilidade Aditivos Minerais A introdução de aditivos químicos e de adições minerais no concreto provoca várias alterações de características, tanto no estado fresco quanto no estado endurecido. Adições minerais como a sílica ativa ou as cinzas volantes, por exemplo, possuem duas formas de atuação no concreto: uma física, o denominado efeito de fíler (ou efeito de preenchimento de vazios), que atua no aumento da coesão e da compacidade e outra química, que é a reação pozolânica de transformação do hidróxido de cálcio no silicato de cálcio hidratado. Para fabricação do CAD têm sido empregadas a sílica ativa, cinzas volantes, pozolanas naturais, cinzas de casca de arroz e metacaulim, em dosagens que variam de 8% a 12% da massa do cimento. A sílica ativa é um subproduto do processo de fabricação do silício metálico ou das ligas de ferro-silício. A produção dessas ligas se dá em fornos elétricos de fusão, tipo arco-voltaico, onde ocorre a redução do quartzo a silício pelo carbono a temperaturas da ordem de 2000 C. A sílica ativa bruta é coletada ao passar através de filtros especiais denominados filtros de manga. As matérias-primas utilizadas no processo são o quartzo de alta pureza, o carvão ou o coque (fonte de carbono), cavacos de madeira e, eventualmente, o minério de ferro no caso da produção de ferro-silício. A Figura 1 mostra a representação esquemática da captação da sílica ativa.

20 Relatório Final Concretos Especiais - Propriedades, Materiais e Aplicações 11 Figura 1 Processo de produção de silício e captação da sílica ativa (DAL MOLIN, 1995). O seu desempenho com relação às demais adições minerais se deve principalmente pelas suas características físico-químicas, que lhe conferem uma alta reatividade com os produtos de hidratação do cimento Portland e proporcionam um melhor empacotamento das partículas de cimento. Por essas razões, entre as adições minerais, a sílica ativa é ainda a mais empregada atualmente para a produção de CAD. Sua ação superpozolânica e microfiller provoca a redução considerável do tamanho dos poros, os quais ficam incomunicáveis entre si, impedindo a passagem de líquidos e agentes agressivos. As características da sílica ativa, como cor, distribuição granulométrica e composição química, dependem do tipo de liga produzida, tipo de forno, composição química e dosagem das matérias-primas. A sílica ativa é um pó fino cuja cor varia de cinza claro a cinza escuro. Como o SiO 2 é incolor, a cor da sílica ativa é determinada pelo teor de carbono e de óxido de ferro presentes. Do ponto de vista físico, as partículas de sílica ativa são esféricas, extremamente pequenas, com diâmetro médio entre 0,1 µm e 0,2 µm, sendo 50 a 100 vezes menores que as do cimento, conforme Figura 2. A sua massa específica real é geralmente 2,2 g/cm³, menor que a do cimento, que é de aproximadamente 3,1 g/cm³. A massa unitária na forma natural é da ordem de 250 a 300 kg/m³. A baixa massa unitária associada à pequena dimensão das partículas de sílica ativa faz com que o material apresente problemas de manuseio e transporte, encarecendo seu custo final. Do ponto de vista químico, a sílica ativa é composta principalmente de SiO 2, com pequenas quantidades de alumina, ferro, cálcio, álcalis, carbono, entre outros. Os efeitos da adição da sílica ativa nos concretos e argamassas são listados a seguir:

21 Relatório Final Concretos Especiais - Propriedades, Materiais e Aplicações 12 Aumento da coesão, eliminação da exsudação e melhoria da trabalhabilidade - esta propriedade é decorrente da redução dos diâmetros capilares e aumento de pontos de contato sólido-sólido; Inibição da reação álcali-agregado: a reação álcali-agregado é expansiva, provocando fissuração generalizada no concreto. A sílica ativa reduz o teor de álcalis, prevenindo os efeitos desta reação; Maior performance em resistência à abrasão/erosão: a ação da sílica ativa impede que o agregado graúdo se solte quando a superfície de concreto estiver submetida à abrasão (ação mecânica) e erosão (ação hidráulica); Maior resistência a agentes agressivos: a sílica ativa proporciona baixíssima permeabilidade em ambientes de grande agressividade (cloretos, sulfatos, amônias, ácidos, dentre outros). Figura 2 Micrografia eletrônica da sílica ativa (MEHTA e MONTEIRO, 1994). 2.5 PROPORCIONAMENTO Alguns aspectos relativos ao proporcionamento dos CAD são: o consumo de cimento é elevado, a relação a/c é baixa, utilização de aditivos químicos redutores de água e adições minerais. Quanto ao proporcionamento dos agregados, a granulometria do agregado miúdo tem influência nas propriedades dos CAD, tanto no estado fresco como endurecido. Quantidades menores de agregados miúdos em conjunto com quantidades maiores de agregados graúdos têm resultado em menores necessidades de pasta, proporcionando concretos mais econômicos e mais resistentes. Em contrapartida, esse proporcionamento pode levar a concretos com problemas de trabalhabilidade, necessitando de maior energia de compactação.

22 Relatório Final Concretos Especiais - Propriedades, Materiais e Aplicações COMPORTAMENTO NO ESTADO FRESCO A perda de abatimento dos CAD com o tempo pode ser mais rápida do que os concretos convencionais, a qual pode ser evitada de várias formas, como realizar em menor tempo possível os procedimentos de mistura e lançamento do concreto nas fôrmas. O tempo de pega dos CAD, devido ao alto teor de aditivos, é retardado comparado aos concretos convencionais. Devido às baixas relações água/cimento, os CAD geralmente apresentam baixa exsudação, podendo ser nula. Isso poderá provocar o surgimento de fissuras de retração plástica, principalmente em situações de pouca umidade, alta temperatura e muita aeração. 2.7 COMPORTAMENTO NO ESTADO ENDURECIDO Em comparação com um concreto convencional de 20 MPa, a resistência à compressão dos CAD pode atingir cerca de 120 MPa. A elevação da resistência à tração nos CAD não ocorre na mesma proporção à elevação da resistência à compressão, atingindo geralmente cerca de 10 MPa. O mesmo ocorre com o módulo de elasticidade, que não é proporcional à resistência à compressão. O módulo de elasticidade dos CAD pode chegar a 50 GPa. Assim como nos concretos convencionais, o coeficiente de Poisson mantém-se em cerca de 0,2. A fluência específica é inversamente proporcional à resistência à compressão do concreto e nos CAD, é reduzida. Em peças estruturais protendidas, por exemplo, haverá menores perdas de protensão por fluência, o que gera economia de aço. A aderência entre o concreto e as barras de armadura é maior, devido à redução da zona de transição existente entre a armadura e a pasta de cimento. A resistência ao desgaste é cerca de dez vezes maior do que nos concretos convencionais, favorecendo as aplicações em pisos, pavimentos e estruturas hidráulicas sujeitas à abrasão. 2.8 DURABILIDADE Segundo Mehta (1986), talvez os concretos de alta resistência com superplastificantes, baixas relações água/cimento, altas dosagens de cimento e pozolanas de boa qualidade revelem maior potencial de emprego onde os principais fatores considerados sejam as maiores impermeabilidades ou durabilidades, e não as mais elevadas resistências. Existem levantamentos que dão razão a essa assertiva, relatando a utilização em maior escala dos CAD por conta da maior durabilidade, e não pelas mais elevadas resistências mecânicas, como poderia ser esperado.

23 Relatório Final Concretos Especiais - Propriedades, Materiais e Aplicações 14 A durabilidade está associada a várias características, como: permeabilidade reduzida, que confere aos CAD menor penetração dos agentes agressivos provenientes do exterior, o caso mais comum de ataque ao concreto; porosidade também é baixa, podendo chegar a menos de 10%, cerca da metade da medida nos concretos convencionais. Em geral, quanto menor a relação água/cimento dos concretos de alto desempenho, menor é a sua porosidade que correspondem as menores permeabilidades; aumento da resistência à carbonatação, que aumenta a resistência destes concretos ao ataque de agentes agressivos gasosos, que não o CO MISTURA Os materiais componentes devem ser mantidos à temperatura mais baixa possível (porém, acima de 0 C), parâmetro que influencia o consumo de água e a velocidade de perda de trabalhabilidade do concreto. É necessário um controle da umidade dos agregados (principalmente os miúdos), pois pode alterar a relação a/c. É importante o bom funcionamento das betoneiras ou misturadores, pois os CAD geralmente possuem baixa dosagem de água e alta dosagem de cimento, o que dificulta a obtenção de uma mistura homogênea. A introdução de aditivos químicos torna-se mais efetiva quando realizada ao final do processo de mistura DOSAGEM E PRODUÇÃO Comparando-se a dosagem do CAD com a do concreto convencional, notam-se semelhanças, porém a participação do superfluidificante e da sílica ativa, assim como da grande quantidade de cimento, fazem uma grande diferença no resultado. Segue uma proporção, sugerida por SERRA (1999), para a produção de 1m 3 de CAD: kg < cimento < 500 kg; kg < agregado miúdo < 750 kg; kg < agregado graúdo < 1100 kg; - 1% < superfluidificantes < 2% (do peso do cimento); kg < água < 160 kg; - 7 % < sílica ativa < 15 % (peso do cimento).

24 Relatório Final Concretos Especiais - Propriedades, Materiais e Aplicações 15 Sobre a sua sugestão de dosagem, SERRA (1999) comenta: Nota-se assim, que a relação a/c fica entre 0,24 e 0,40, podendo, entretanto, atingir valores ainda menores. Embora a proporção de sílica ativa no traço do concreto possa atingir a sua eficiência máxima entre 20% e 25% sobre o peso do cimento, considerações econômicas mantêm essa proporção em torno de 10% na prática. Embora possa ser produzido na obra é recomendável a sua produção em usinas, em virtude de um maior controle tecnológico. A colocação do superfluidificante, para uma garantia da sua eficiência, deve ser no canteiro de obra, em virtude de sua ação ser plena entre 30 min e 60 min. A complexidade da produção do CAD é explicada por AÏTCIN (2000):... fazer concreto de alto desempenho é mais complicado do que produzir o concreto usual. A razão para isso é que, na medida em que a resistência à compressão cresce, as propriedades do concreto não são mais relacionadas apenas com a relação água/aglomerante, o parâmetro fundamental governando as propriedades do concreto usual em virtude da porosidade da pasta hidratada do cimento. No concreto usual, tanta água é colocada na mistura que tanto o grosso da pasta hidratada de cimento como a zona de transição representam o elo mais fraco na microestrutura do concreto, onde o colapso mecânico começa a se desenvolver quando o concreto é submetido à carga de compressão... a maioria das propriedades de resistência do concreto de alto desempenho estão relacionadas com a hidratação de silicatos, enquanto na maior parte do tempo, o comportamento reológico está controlado pela hidratação da fase intersticial na presença de íons de enxofre e de cálcio... Já que o CAD é um produto em que se busca uma qualidade mais apurada em relação ao concreto convencional, deve-se seguir as regras de produção com bastante rigor: A mistura deve ser homogeneizada; Precisão no proporcionamento, sendo feito em massa; Uso de balanças bem aferidas; Controle de umidade dos agregados; Controle de trepidações de forma a evitar uma compactação precoce; Controle do tempo e das condições de transporte para evitar a segregação; Fazer o teste do slump na chegada do concreto na obra e antes do lançamento na fôrma. Em caso de aumento na consistência que inviabilize o manuseio, pode-se adicionar superfluidificantes para facilitar a operação; Fazer o adensamento até a superfície do concreto estar com uma umidade uniforme e desaparecerem todas as bolhas de ar superficiais;

25 Relatório Final Concretos Especiais - Propriedades, Materiais e Aplicações 16 Proceder a cura, de maneira adequada, por pelo menos sete dias para evitar problemas de retração térmica, autógena (que são maiores no CAD) e hidráulica; Manter a pasta com temperatura entre 10º C e 25º C. Sobre o controle de temperatura do CAD, afirma AÏTCIN (2000): Se a temperatura do concreto logo após a mistura é alta demais, digamos acima de 25ºC, a hidratação é acelerada e pode ser difícil manter a mistura numa condição de trabalhabilidade que assegure transporte e lançamentos adequados, exceto se a composição do traço for modificada, considerando-se esta alta temperatura inicial. Além disso, quando a temperatura do concreto é alta demais, pode ser difícil manter um controle mais preciso sobre o ar incorporado, em traços com essa característica... Por outro lado, se a mistura está fria demais, digamos abaixo de 10ºC, deve ser lembrado que os superplastificantes líquidos são menos eficazes na dispersão das partículas de cimento, pois a sua viscosidade aumenta drasticamente na medida em que a temperatura diminui. Além disso, como temperaturas baixas tornam a hidratação mais lenta, a resistência inicial do concreto de alto desempenho pode não aumentar com suficiente rapidez, o que pode levar a um atraso oneroso de todo o processo de produção.... a temperatura ideal de um concreto de alto desempenho fresco quando é entregue está entre 15ºC e 20ºC, como no caso do concreto usual TRANSPORTE, LANÇAMENTO E ADENSAMENTO Os CAD, em geral, podem ser transportados pelos processos e equipamentos convencionais. Devido ao alto teor de aglomerante e agregados de dimensão máxima não muito elevada, podem ser transportados por bombeamento. Recomenda-se que o tempo decorrido entre a fabricação e o transporte do CAD deve ser o menor possível. O lançamento do CAD geralmente não difere do usual nos concretos correntes, e como no transporte, deve ser efetuado o mais rápido possível. Existem várias técnicas para a compactação dos CAD. São elas: a compactação com rolos vibratórios, a compactação com pressão, a vibração combinada com pressão, a vibração simultânea com vibradores de imersão e de superfície e a revibração. O método mais eficiente e prático para a compactação dos CAD em obras ainda é a vibração interna com vibradores de agulha.

26 Relatório Final Concretos Especiais - Propriedades, Materiais e Aplicações CURA A necessidade do concreto de alto desempenho ser curado constitui assunto polêmico no meio técnico e mesmo o tipo e duração da cura para os partidários de sua adoção são igualmente polêmicos. Já nos concretos convencionais, com maior relação a/c, há unanimidade em aceitar que a cura adequada é condição essencial para obtenção de um concreto durável conforme as especificações do projeto estrutural. Recomenda-se para fabricação dos CAD a cura com aspersão ou imersão em água. BARBOSA et al. (1999) citam que a cura por imersão em água do CAD provoca melhores resultados que o envolvimento em cobertores plásticos pelo fato de que a selagem da peça não permite a entrada de água para repor a água perdida na autodessecação causada pela baixa relação a/c e microestrutura compacta. Por outro lado, AGOSTINE et al. (1996) pesquisando diferentes variações de cura em câmara úmida, complementadas por cura submersa ou envoltas em lona ou em ambiente do laboratório até 91 dias, concluíram que para concretos de alto desempenho sem sílica ativa, os melhores resultados são obtidos por cura por imersão em água, sendo estes resultados tanto melhores quanto mais cedo a imersão for feita. Concretos com quantidades de 10% de sílica ativa curados com selagem em lona plástica demonstraram eficiência equivalente à cura com imersão em água, concluindo que em condições práticas de obra o envolvimento das peças de concreto moldados in loco, especialmente pilares, com lona plástica, conduz a resultados melhores que a pulverização intermitente com água. Alguns pesquisadores afirmam que a perda de parte da água original da mistura pode diminuir a resistência em mais de 40%, devendo-se então, mantê-lo úmido por vários dias ou semanas. Essa opinião é contestada por outros autores, que afirmam que no caso dos CAD, que contêm geralmente um teor relativamente alto de cimento, contam com a presença de superplastificantes e são confeccionados com relação a/c da ordem de 0,3, um período de 7 a 14 dias de cura úmida seria suficiente para tornar o material impermeável e o prosseguimento da cura úmida a partir desse prazo não teria influência significativa na sua resistência à compressão ou módulo de elasticidade. A partir daí, a cura ao ar é que melhoraria a resistência CONSIDERAÇÕES ECONÔMICAS Muitos estudos já foram feitos a respeito da viabilidade da aplicação dos CAD em edifícios altos, fazendo comparações com soluções em concreto convencional e análises de

27 Relatório Final Concretos Especiais - Propriedades, Materiais e Aplicações 18 soluções com CAD variando as resistências características à compressão, com o uso desses em toda a estrutura ou somente nos pilares. Nos CAR e CAD, o alto consumo de cimento, a incorporação de aditivo superplastificante, a adição de sílica ativa, a necessidade do uso de agregados de alta qualidade e a maior complexidade do seu uso, inevitavelmente, fazem com que o custo unitário deste material seja bastante superior ao dos concretos convencionais. Entretanto, a resistência mecânica superior dos CAD, possibilita aos projetistas de estruturas reduzir o consumo de concreto aplicado e mais significativamente reduzir o peso de aço necessário para os pilares. Outros fatores que interferem nas comparações de custos das obras são: - reduções de solicitações nas fundações; - reduções nas áreas de formas; - reduções de custos de manutenção da estrutura, devido a maior durabilidade destas. O ACI 363R-92 (2001) relata que um CAD é um material que representa o estado-da-arte da tecnologia de concreto, portanto, inevitavelmente, tem um custo unitário mais alto, mas em muitas aplicações os benefícios da maior resistência superam estes aumentos. Basicamente, usando um CAD, comparado a um concreto convencional, tem-se um aumento de maior proporção na capacidade de suporte de carga do que nos custos. Um dos primeiros estudos interessantes sobre a viabilidade econômica dos CAR, no Brasil, foi feito em 1990 e citado em DAL MOLIN et al. (1997). Considerou a realidade brasileira e fez uma comparação entre um concreto convencional de 21 MPa e CAD de 60 MPa, abordando a estrutura de um edifício com 15 pavimentos em Porto Alegre-RS. No estudo, considerando-se o concreto, as armaduras e as formas, (inclusive a mão-de-obra), se comparou, também, o uso do CAD só nos pilares e na estrutura como um todo. Com estas comparações chegou-se à conclusão de que a aplicação do CAD naquele caso possibilitou reduções de custos. O estudo chega a uma economia de 12% no custo da estrutura com o uso de CAD em todas as peças estruturais e uma economia de 11,5% com a aplicação de CAD somente nos pilares. FERREIRA et al. (2001) fizeram um estudo em que analisou o uso de concreto convencional e CAD na estrutura de um edifício de 33 pavimentos em Belém-PA, comparando três modelos de soluções estruturais diversas, uma com concreto convencional de 30 MPa, outra aplicando CAD de 45 MPa e 60 MPa nos pilares e uma terceira com CAD de 45 MPa e 60 MPa nos pilares, vigas e lajes. Quanto aos custos, o estudo concluiu, a partir dos volumes de concreto, dos pesos de aço, das formas e das cargas nas fundações, que existiu uma economia de 6,7%