CARACTERIZAÇÃO DE BETÕES NÃO ESTRUTURAIS PRODUZIDOS COM AGREGADOS DE ESCÓRIAS VULCÂNICAS DA ILHA DE SÃO MIGUEL

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1 CARACTERIZAÇÃO DE BETÕES NÃO ESTRUTURAIS PRODUZIDOS COM AGREGADOS DE ESCÓRIAS VULCÂNICAS DA ILHA DE SÃO MIGUEL Diogo Cunha Engº Civil IST Lisboa, Portugal J. Alexandre Bogas Prof. Engº Civil IST, CEris (ICIST) Lisboa, Portugal Manuel F.C. Pereira Prof. Engº Civil IST, CERENA Lisboa, Portugal RESUMO O presente artigo tem como objectivo a caracterização de betões não estruturais de agregados leves (BNEAL) produzidos com escórias vulcânicas provenientes, visando a sua utilização em soluções de enchimento e regularização de pisos. Tendo em consideração soluções tradicionais compostas por betões cavernosos e betonilha e soluções Uno de monocamada, procedeu-se à caracterização dos betões em termos da sua massa volúmica, resistência à compressão, tracção, punçoamento e abrasão, módulo de elasticidade, condutibilidade térmica e resistência a elevadas temperaturas. Foram ainda estudadas soluções existentes no mercado produzidas com outros tipos de agregados mais correntes, nomeadamente argila expandida e poliestireno expandido. Em geral, verifica-se que é viável a utilização de escórias na produção de BNEAL de maior sustentabilidade, demonstrando-se a sua capacidade para cumprir as principais exigências funcionais normalmente requeridas para este tipo de soluções. Palavras-chave: betão leve não estrutural; escórias vulcânicas; argila expandida, poliestireno expandido, caracterização mecânica, propriedades térmicas 1. INTRODUÇÃO Actualmente o betão não estrutural de agregados leves (BNEAL) tem uma maior procura na indústria da construção do que o betão estrutural [1], podendo ser utilizado na forma de betão celular, betão cavernoso ou simplesmente betão com agregados leves de elevada porosidade. Os betões cavernosos, produzidos maioritariamente com agregado grosso e pasta cimentícia, contendo reduzida ou nenhuma fracção de agregado fino, são frequentemente utilizados no enchimento e regularização de lajes. As características gerais, produção e aplicação de betões cavernosos com agregados de massa volúmica normal (AN) são abordadas no ACI 522 [2]. Em geral, o volume de vazios nestes betões varia entre 18 a 35% [2]. Este tipo de betão está associado a uma redução de cerca de 30% na massa volúmica face aos betões normais correntes [2, 3]. Por sua vez, a substituição de AN por AL nos betões cavernosos, conforme realizado no presente trabalho, conduz a reduções adicionais de massa volúmica, podendo atingir 400 a 500 kg/m 3 [4, 5]. Apesar dos betões cavernosos serem utilizados há vários anos na construção, os trabalhos de investigação que focam a sua caracterização estão essencialmente limitados ao uso de AN [2, 6]. O uso de agregados de origem vulcânica tem sido essencialmente estudado em betões com função estrutural [7, 8]. A incorporação de pedra-pomes em betões cavernosos foi analisada por Zaeteng et al. [5], tendo constatado que a condutibilidade térmica pode ser reduzida em 3-4 vezes quando comparada com a de betões cavernosos com AN, de igual composição. No entanto, não foram encontrados trabalhos que focam o estudo de outras propriedades relevantes, como a resistência ao punçoamento, retração e comportamento a elevadas temperaturas. No presente estudo foi utilizada escória natural proveniente, Açores, para a produção de BNEAL destinado ao enchimento e regularização de lajes de edifícios. Os agregados vulcânicos são limitados pelas características particulares associadas ao seu local de jazida, reduzindo a sua gama de possíveis aplicações [1]. Contudo, a utilização de agregados leves naturais contribuem para uma maior sustentabilidade económica e ambiental da região, pois envolvem menores custos de produção e energéticos do que os associados à utilização de agregados artificiais. Acresce ainda o facto de, em regiões isoladas, tal como o Arquipélago dos Açores, ser economicamente inviável a importação de AL artificiais. Este artigo tem como objetivo analisar e caracterizar o comportamento físico (massa volúmica; condutibilidade térmica; absorção capilar) e mecânico (resistência à compressão, tração por compressão diametral, punçoamento e desgaste; módulo de 1

2 D. Cunha; J. Bogas; M. Pereira, Caracterização de betões não estruturais produzidos com agregados de escórias vulcânicas elasticidade; retracção; resistência residual a elevadas temperaturas) de betões leves não estruturais produzidos com incorporação de agregados de escória vulcânica proveniente, Açores, Portugal. De modo a tornar o estudo mais abrangente, foram também analisadas as soluções mais correntes no mercado, em que existe experiência no sucesso da sua aplicação, nomeadamente soluções de enchimento produzidas com agregados de argila expandida ou poliestireno expandido. 2. CAMPANHA EXPERIMENTAL Tendo em conta os sistemas habitualmente utilizados no mercado nacional para o enchimento e regularização de lajes, foram analisadas soluções tradicionais (ST) e soluções Uno (SU). A solução tradicional (ST) consiste num sistema composto por betonilha com espessura aproximada de 5cm. A solução Uno (SU) consiste numa camada única de betão pré-doseado de maior compacidade e volume de materiais cimentícios, dispensando assim, a colocação de betonilha. Como referido, foram ainda analisadas soluções correntes existentes no mercado nacional, produzidas com agregados de argila expandida ou poliestireno expandido (EPS). Assim, os betões com agregados de escória foram formulados de modo a possuírem composições semelhantes às dos betões com argila expandida. A filosofia foi diferente no caso dos betões com EPS, pois tratam-se de betões celulares que envolvem a incorporação de ar na sua matriz cimentícia Materiais Os agregados de escória provenientes, Açores, foram obtidos através da extração e separação de material directamente proveniente de depósitos naturais. Foram utilizados dois tipos de agregado grosso de escórias de diferente porosidade (EG1 e EG2) e um tipo de escória fina (EF), (Figura 1). Os agregados de argila expandida, designados por Leca, foram fornecidos em 4 frações granulométricas (Leca M 8-11; Leca M 4-8, Leca S e Leca XS). A areia natural utilizada foi composta por areia fina (AF) e areia grossa (AG). As principais propriedades dos agregados são resumidas na As misturas foram produzidas com uma betoneira de eixo inclinado basculante. Os agregados grossos e areias naturais foram humedecidos durante 2-3 minutos com 50% da água total. A absorção dos AL na mistura foi estimada previamente efetuando a correção total do volume de água na mistura [9]. Foram produzidos os seguintes espécimes para cada composição: doze cubos de 150 mm para o ensaio da resistência à compressão aos 3, 7, 28 e 90 dias, de acordo com a norma EN [10]; três cilindros de 150x300 mm para o ensaio de tração por compressão diametral aos 28 dias, de acordo com a norma EN [11]; três cilindros de 150x300 mm para o módulo de elasticidade aos 28 dias, segundo a especificação E397 [12]; três espécimes de 50x70x70mm, obtidos através do corte de provetes cúbicos de 100mm, para o ensaio de resistência ao desgaste por abrasão, segundo a norma DIN [13]; doze lajetas de 250x250x100 mm para a determinação da resistência ao punçoamento, de acordo com 2.2.1; dois prismas de 300x300x100 mm para a medição da retração, de acordo com a especificação E398 [14]; três espécimes cilíndricos de 150x50 mm, para a determinação da condutibilidade térmica; vinte e cinco provetes cúbicos de 150 mm para a determinação da resistência residual de betões sujeitos a elevada temperatura. Após a desmoldagem, às 24h, todas as amostras foram sujeitas a cura húmida até à idade dos ensaios, exceto para a resistência à abrasão, retração e resistência residual após exposição a temperaturas elevadas, conforme mencionado mais adiante. Tabela 1. Foram também utilizados cimento tipo I 42.5R e fíler calcário com 90,9% de CaCO 3 e um resíduo de 38% no peneiro de 45 µm. O betão com agregados de EPS foi produzido e disponibilizado pela empresa fornecedora. Os agregados de EPS, com uma massa volúmica aproximada de 20 kg/m 3, apresentavam uma dimensão entre 4 e 8 mm. Escória grossa 1 (EG1) Escória grossa 2 (EG2) Escória Fina (EF) Leca M Figura 1 Amostras de agregados leves utilizados 2.2. Composições, mistura e ensaios Foram produzidos dois tipos de BNEAL para cada um dos agregados em análise: solução tradicional com escória (STE) ou Leca (STL) e betão celular de EPS (STEP); solução Uno com escória (SUE) ou Leca (SUL) e betão celular de EPS (SUEP). Foram ainda produzidas duas betonilhas leves com agregados finos de escória (BLE) ou Leca (BLL) de modo a serem aplicados sobre o betão cavernoso das soluções tradicionais. Todas as composições são apresentadas na Tabela 2

3 Beton. Leve Uno Tradicional D. Cunha; J. Bogas; M. Pereira, Caracterização de betões não estruturais produzidos com agregados de escórias vulcânicas 2. Na mesma tabela indica-se a massa volúmica fresca e a estimativa do volume total de vazios entre partículas, considerando a diferença entre a massa volúmica experimental e teórica de cada betão. O volume de vazios variou entre 17 e 35%, estando de acordo com o usualmente reportado para betões cavernosos [2]. As misturas foram produzidas com uma betoneira de eixo inclinado basculante. Os agregados grossos e areias naturais foram humedecidos durante 2-3 minutos com 50% da água total. A absorção dos AL na mistura foi estimada previamente efetuando a correção total do volume de água na mistura [9]. Foram produzidos os seguintes espécimes para cada composição: doze cubos de 150 mm para o ensaio da resistência à compressão aos 3, 7, 28 e 90 dias, de acordo com a norma EN [10]; três cilindros de 150x300 mm para o ensaio de tração por compressão diametral aos 28 dias, de acordo com a norma EN [11]; três cilindros de 150x300 mm para o módulo de elasticidade aos 28 dias, segundo a especificação E397 [12]; três espécimes de 50x70x70mm, obtidos através do corte de provetes cúbicos de 100mm, para o ensaio de resistência ao desgaste por abrasão, segundo a norma DIN [13]; doze lajetas de 250x250x100 mm para a determinação da resistência ao punçoamento, de acordo com 2.2.1; dois prismas de 300x300x100 mm para a medição da retração, de acordo com a especificação E398 [14]; três espécimes cilíndricos de 150x50 mm, para a determinação da condutibilidade térmica; vinte e cinco provetes cúbicos de 150 mm para a determinação da resistência residual de betões sujeitos a elevada temperatura. Após a desmoldagem, às 24h, todas as amostras foram sujeitas a cura húmida até à idade dos ensaios, exceto para a resistência à abrasão, retração e resistência residual após exposição a temperaturas elevadas, conforme mencionado mais adiante. Tabela 1 - Propriedades dos Agregados Propriedade Agregados leves Areia natural Escória vulcânica Argila expandida (Leca) EG1 EG2 EGF M 8-11 M 4-8 S XS AF AG Massa volúmica, ρ (kg/m 3 ) Baridade, ρ b (kg/m 3 ) Absorção de água às 24h, w abs,24h (%) 9,2 3,4 3,7 18, ,2 0,3 Resistência ao esmagamento (MPa) 3,6 6,4-1,4 1,4 1, Fração granulométrica (d i /D i ) 4-11, , , ,5-3 0,125-0,5 0,25-2 Índice de forma (EN 933-4) Solução Betões Tabela 2 Composições, massa volúmica fresca e estimativa do volume de vazios entre partículas. Agregados grossos a) Agregados finos Cimento Filler (kg/m 3 ) (kg/m 3 ) (kg/m 3 ) (kg/m 3 ) Água efetiva (L/m 3 ) STE 472 (EG1) , ,8 STL 198 (Leca M) , ,4 STEP 210 l/m 3 (EPS) ,36-0, SUE 540 (EG2) 371 (EF) , ,1 SUL 390 (Leca M) , ,9 SUEP 210 l/m 3 (EPS) ,57-0, a/l ρ fresca (kg/m 3 ) Volume vazios (%) BLE 47 (AG) 725 (EF) (AF) , ,8 BLL 324 (Leca b) ) + 48 (AG) 408 (AF) , ,7 a) EG1 - escória grossa 1; EG2 - escória grossa 2; EF - escória fina; EPS - poliestireno expandido; AG - areia grossa; AF - areia fina b) Agregados Leca M, S e XS Resistência ao punçoamento A resistência ao punçoamento de cada solução foi avaliada de acordo com a classificação UPEC indicada na Tabela 3 e sugerida em [15]. As lajetas de 250x250x100 mm foram ensaiadas dentro da cofragem, após 28 dias, simulando o confinamento do betão em situações reais. Para cada tipo de agregado, foram ensaiadas uma solução tradicional composta por 5 cm de espessura de betão cavernoso e 5 cm de betonilha leve e uma solução Uno com 10 cm de espessura. Os espécimes foram curados em água durante 7 dias e em seguida colocados a 22±2 C e de 50±5 % de humidade relativa (HR), durante 21 dias. Aquando do ensaio, foram colocados discos metálicos, de diferentes diâmetros, centrados na 3

4 D. Cunha; J. Bogas; M. Pereira, Caracterização de betões não estruturais produzidos com agregados de escórias vulcânicas superfície do espécime para simular cada uma das cargas concentradas, P, da Tabela 3 (Figura 2). Em seguida, os provetes foram ensaiados a uma taxa de 0,05 mm/s, registando-se a curva carga-deslocamento. Tabela 3 Parâmetros das classes de punçoamento, segundo a classificação UPEC Parâmetro P 2 P 3 P 4 P 4s Carga concentrada (kgf) Tensão (MPa) Diâmetro da área carregada (cm) 2,52 2,91 3,99 5,05 Figura 2 - Ensaio de punçoamento Retração A retração total foi determinada através de um comparador digital (DEMEC) com precisão de 1 μm. O aparelho foi colocado sobre dois pinos metálicos espaçados de 200 mm, colados na superfície do betão. A retração total de cada espécime foi medida entre 24 horas e 91 dias. Após a desmoldagem, às 24h, os espécimes foram colocados a 22±2 C e 50±5 % HR, de acordo com a E398 [14] Resistência ao desgaste por abrasão A resistência à abrasão foi determinada aos 28 dias, conforme a DIN [13]. O procedimento incluiu as seguintes etapas: secagem dos espécimes até massa constante antes do ensaio; medição da espessura dos provetes e colocação de uma determinada quantidade de areia abrasiva no disco do equipamento de ensaio; posicionamento dos espécimes no suporte do equipamento sob um peso calibrado; realização de 4 ciclos de 22 rotações cada (Figura 3); determinação do peso e espessura dos provetes. Figura 3 Ensaio de abrasão segundo norma DIN (2002) Condutibilidade térmica A condutibilidade térmica foi medida através de um método transiente por meio do equipamento comercial ISOMET 2114, da empresa Applied Precision. Este equipamento permite a medição da condutibilidade térmica,, num intervalo entre 0,015 e 0,70 W/m.ºC, com um erro máximo de 5% ± 0,001 W/m.ºC Comportamento do betão a elevadas temperaturas Para cada composição, cinco provetes de betão foram submetidos a diferentes patamares de temperaturas de 200 C (T200), 400 C (T400), 600 C (T600) e 800 C (T800), determinando-se em seguida a sua resistência residual, seguindo as recomendações do documento RILEM TC 129 [16]. As betonilhas leves não foram ensaiadas. Após desmoldagem, às 24h, as amostras foram curadas em água durante 28 dias, seguido de 90 dias a 22± 2 C e 50±5 % HR. Após este período, três cubos de cada composição foram testados a 20 C e os restantes espécimes foram submetidos a uma taxa de 2-3,5 ºC/min em forno elétrico. Os provetes foram expostos durante 1 hora ao patamar de temperatura pretendido [16] e em seguida arrefecidos à temperatura ambiente e novamente colocados a 22 ± 2 C e 50 ± 5% HR durante três dias. Finalmente, foi determinada a resistência à compressão residual dos provetes. Para monitorizar a evolução da temperatura no interior dos espécimes, introduziram-se termopares tipo K a ½ e ¼ da espessura de um provete, por composição. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados obtidos nos diversos ensaios, para cada composição, apresentam-se na Tabela 4. Os resultados de resistência ao punçoamento são apresentados em

5 D. Cunha; J. Bogas; M. Pereira, Caracterização de betões não estruturais produzidos com agregados de escórias vulcânicas 3.1. Massa volúmica e resistência à compressão e tração A massa volúmica dos BNEAL com agregados de escória foi aproximadamente 110% (solução tradicional), 60% (solução Uno) e 30% (betonilhas) superior à dos betões com Leca (Tabela 4). Quando comparado com as soluções mais leves com EPS, a utilização de escória conduziu a betões com massas volúmicas cerca de 3 vezes mais elevadas. De acordo com a EN 206 [17], a classe de massa volúmica do betão não estrutural com escória variou entre D1.2 e D1.4. Apesar da maior massa volúmica e resistência ao esmagamento das escórias, a resistência à compressão dos betões produzidos com este agregado não foi superior à do betão com Leca, independentemente do tipo de solução (Tabela 4). A resistência à compressão do betão com EPS foi cerca de três a cinco vezes menor do que a dos restantes betões. O comportamento mecânico do betão não estrutural é afectado: pela resistência do agregado; pelo volume de vazios entre as partículas (compacidade); pela resistência e o volume da pasta que envolve o agregado; pela qualidade da interface entre a pasta e o agregado. A relevância de cada uma destas fases depende das características do betão não estrutural que é produzido. Em relação à solução tradicional, a desagregação entre as partículas foi o modo predominante de rotura (Figura 4). Este fenómeno é comum em betões cavernosos, cuja rotura se desenvolve entre a camada de ligante e os agregados [2, 6]. Deste modo, a redução do teor de vazios entre as partículas e o aumento da qualidade da pasta são os principais fatores que contribuem para o aumento da resistência deste tipo de betão, sendo pouco afetada pela resistência e massa volúmica do agregado. Apenas a forma do agregado, que é mais irregular no caso dos agregados de escória (As misturas foram produzidas com uma betoneira de eixo inclinado basculante. Os agregados grossos e areias naturais foram humedecidos durante 2-3 minutos com 50% da água total. A absorção dos AL na mistura foi estimada previamente efetuando a correção total do volume de água na mistura [9]. Foram produzidos os seguintes espécimes para cada composição: doze cubos de 150 mm para o ensaio da resistência à compressão aos 3, 7, 28 e 90 dias, de acordo com a norma EN [10]; três cilindros de 150x300 mm para o ensaio de tração por compressão diametral aos 28 dias, de acordo com a norma EN [11]; três cilindros de 150x300 mm para o módulo de elasticidade aos 28 dias, segundo a especificação E397 [12]; três espécimes de 50x70x70mm, obtidos através do corte de provetes cúbicos de 100mm, para o ensaio de resistência ao desgaste por abrasão, segundo a norma DIN [13]; doze lajetas de 250x250x100 mm para a determinação da resistência ao punçoamento, de acordo com 2.2.1; dois prismas de 300x300x100 mm para a medição da retração, de acordo com a especificação E398 [14]; três espécimes cilíndricos de 150x50 mm, para a determinação da condutibilidade térmica; vinte e cinco provetes cúbicos de 150 mm para a determinação da resistência residual de betões sujeitos a elevada temperatura. Após a desmoldagem, às 24h, todas as amostras foram sujeitas a cura húmida até à idade dos ensaios, exceto para a resistência à abrasão, retração e resistência residual após exposição a temperaturas elevadas, conforme mencionado mais adiante. Tabela 1), pode ter alguma influência, uma vez que afecta a compacidade da mistura e a zona de ligação dos agregados. Tabela 4 Resultados detalhados para cada tipo de betão Betões Massa volúmica Resist. Compres. Resist. tração Módulo elast. Retração Resist. abrasão Condut. térmica ρ f cm,28d f ctmsp,28d E cm,28d (m/m) Δl λ Resistência à compressao residual f cm (MPa) (kg/m 3 ) (MPa) (MPa) (GPa) (x10-6 ) (mm) (W/mºC) 20 ºC 200 ºC 400 ºC 600 ºC 800 ºC STE ,6 0,2 3, ,22 1,6 1,4 1,1 0,8 0,5 STL 510 1,7 0,5 1, ,11 1,3 0,8 0,7 0,6 0,5 STEP 350 0,5 0, ,07 0,7 0,4 0,3 - - SUE ,0 0,7 6, ,2 0,40 6,9 6,6 6,4 4,7 3,6 SUL 870 5,3 0,5 4, ,9 0,23 5,8 5,3 4,5 3,8 2,8 SUEP 460 1,3 0, ,2 0,10 1,6 1,2 0,9 - - BLE ,5 0,6 15, ,6 0, BLL ,0 1,0 14, ,1 0, Relativamente às "soluções Uno, o modo de rotura dos betões com Leca desenvolveu-se através dos agregados e na situação dos betões com escória, através da pasta (Figura 4). Por um lado, a capacidade resistente da escória é superior à da Leca, mas por outro lado, o betão com escória apresenta maior volume de vazios entre as partículas devido à forma menos esférica da escória (As misturas foram produzidas com uma betoneira de eixo inclinado basculante. Os agregados grossos e areias naturais foram humedecidos durante 2-3 minutos com 50% da água total. A absorção dos AL na mistura foi estimada previamente efetuando a correção total do volume de água na mistura [9]. Foram produzidos os seguintes espécimes para cada composição: doze cubos de 150 mm para o ensaio da resistência à compressão aos 3, 7, 28 e 90 dias, de acordo com a norma EN [10]; três cilindros de 150x300 mm para o ensaio 5

6 fcm (MPa) D. Cunha; J. Bogas; M. Pereira, Caracterização de betões não estruturais produzidos com agregados de escórias vulcânicas de tração por compressão diametral aos 28 dias, de acordo com a norma EN [11]; três cilindros de 150x300 mm para o módulo de elasticidade aos 28 dias, segundo a especificação E397 [12]; três espécimes de 50x70x70mm, obtidos através do corte de provetes cúbicos de 100mm, para o ensaio de resistência ao desgaste por abrasão, segundo a norma DIN [13]; doze lajetas de 250x250x100 mm para a determinação da resistência ao punçoamento, de acordo com 2.2.1; dois prismas de 300x300x100 mm para a medição da retração, de acordo com a especificação E398 [14]; três espécimes cilíndricos de 150x50 mm, para a determinação da condutibilidade térmica; vinte e cinco provetes cúbicos de 150 mm para a determinação da resistência residual de betões sujeitos a elevada temperatura. Após a desmoldagem, às 24h, todas as amostras foram sujeitas a cura húmida até à idade dos ensaios, exceto para a resistência à abrasão, retração e resistência residual após exposição a temperaturas elevadas, conforme mencionado mais adiante. Tabela 1). De facto, a forma mais irregular da escória aumenta a superfície específica dos agregados (pasta necessária) e faz com que seja mais difícil o arranjo entre as partículas e a colocação e acabamento do betão. Por conseguinte, a capacidade de carga máxima da escória não é mobilizada e a resistência à compressão do betão é controlada pela matriz envolvente. Para matrizes mais compactas, a resistência nos betões com escória seria provavelmente superior à dos BNEAL com Leca. A Figura 5 mostra a relação entre a resistência à compressão e o teor total de vazios estimado para as soluções tradicional e Uno, com Leca ou escória. Verifica-se que os resultados obtidos estão de acordo com os valores reportados por Zaetang et al. [5] em betões permeáveis produzidos com diatomite ou pedra-pomes. A resistência à tração também foi similar nos betões com escória e betões com Leca. Uma vez mais, o modo de rotura nas soluções tradicionais ocorreu por separação das partículas, sendo controlado essencialmente pelas características da pasta. Nas soluções Uno, a rotura desenvolveu-se através dos agregados, com capacidade resistente superior no caso da escória. Ainda assim, verifica-se apenas um ligeiro aumento na resistência à tração dos BNEAL com escória, justificado pelo maior teor de vazios atingido nestes betões. Assim, é apenas possível concluir que a utilização deste tipo de agregado permite a produção de betões não estruturais com, pelo menos, a mesma classe de resistência de soluções convencionais com agregados leves artificiais. Figura 4 Modo de rotura por compressão: solução Tradicional com escória (esquerda); solução Uno com escória (centro); Solução Uno com Leca (direita) y = 16.99e -0.07x R² = 0.97 Presente trabalho Zaetang et al. [5] Teor de vazios (%) Figura 5 Resistência à compressão versus volume de vazios Figura 6 Detalhe de uma superfície de rotura após ensaio de tração (SUL) 3.2. Módulo de elasticidade Uma vez que o agregado ocupa mais do que 50% do volume do betão e tendo a escória maior massa volúmica do que a Leca (As misturas foram produzidas com uma betoneira de eixo inclinado basculante. Os agregados grossos e areias naturais foram humedecidos durante 2-3 minutos com 50% da água total. A absorção dos AL na mistura foi estimada previamente efetuando a correção total do volume de água na mistura [9]. Foram produzidos os seguintes espécimes para cada composição: doze cubos de 150 mm para o ensaio da resistência à compressão aos 3, 7, 28 e 90 dias, de acordo com a norma EN [10]; três cilindros de 150x300 mm para o ensaio de tração por compressão diametral aos 28 dias, de acordo com a norma EN [11]; três cilindros de 150x300 mm para o módulo de elasticidade aos 28 dias, segundo a especificação E397 [12]; três espécimes de 50x70x70mm, obtidos 6

7 Resistencia ao pubnçoamento (MPa) D. Cunha; J. Bogas; M. Pereira, Caracterização de betões não estruturais produzidos com agregados de escórias vulcânicas através do corte de provetes cúbicos de 100mm, para o ensaio de resistência ao desgaste por abrasão, segundo a norma DIN [13]; doze lajetas de 250x250x100 mm para a determinação da resistência ao punçoamento, de acordo com 2.2.1; dois prismas de 300x300x100 mm para a medição da retração, de acordo com a especificação E398 [14]; três espécimes cilíndricos de 150x50 mm, para a determinação da condutibilidade térmica; vinte e cinco provetes cúbicos de 150 mm para a determinação da resistência residual de betões sujeitos a elevada temperatura. Após a desmoldagem, às 24h, todas as amostras foram sujeitas a cura húmida até à idade dos ensaios, exceto para a resistência à abrasão, retração e resistência residual após exposição a temperaturas elevadas, conforme mencionado mais adiante. Tabela 1), o módulo de elasticidade é mais elevado nos BNEAL com escória. Quando comparado com os BNEAL com Leca, o aumento foi de cerca de 75% para a solução tradicional e cerca de 40% para a solução Uno. De acordo com a norma EN [18], a utilização de escória permitiu a produção de soluções Uno de classe E5 e betonilhas de classe E Resistência ao punçoamento Na Figura 7 apresenta-se a resistência ao punçoamento para cada sistema, a qual coincide com o primeiro pico máximo de tensão alcançado nas curvas de carga-deslocamento, tendo em consideração um deslocamento máximo de 5 mm. Em geral, as várias soluções cumpriram os requisitos de classificação UPEC definidas na Tabela 3 (Figura 7). Apenas a solução Uno com EPS não cumpriu os requisitos mínimos em todas as classes. As soluções com escória apresentaram um melhor desempenho face às de Leca, especialmente no caso das soluções Uno. Dependendo da classe e tipo de sistema (tradicional, Uno), a resistência ao punçoamento nos BNEAL com escórias foi 15% a 160% superior à dos betões com Leca (Figura 7). O melhor desempenho das soluções com escória justifica-se tendo em conta os modos de rotura desenvolvidos, que envolveram maioritariamente o esmagamento do agregado e menos frequentemente a rotura por tração do betão. Estes modos de rotura envolvem, respectivamente, a resistência ao esmagamento do agregado e a resistência à tração do betão, que tendem a ser superiores nos BEAL com escória SUE SUL SUEP STE c/ BLE STL c/ BLL STEP c/ BLE STEP c/ BLL Tensão mínima limite 0 Classe P2 Classe P3 Classe P4 Classe P4S Figura 7 Resistência ao punçoamento para cada composição e classe UPEC Nas soluções tradicionais, o modo de rotura predominante consiste no rearranjo e posterior esmagamento dos agregados (Figura 8). Nas soluções Uno com escória, de maior capacidade resistente, o modo de rotura ocorreu preferencialmente por tração, em que o confinamento do betão não foi suficiente para absorver as tensões transversais (Figura 8). Dado que as betonilhas leves foram colocadas em áreas mais amplas e de menor espessura (lajetas), a compactação e acabamento foi mais eficiente do que nos espécimes cúbicos, nomeadamente no caso das soluções com escória. Figura 8 - Modos de rotura por punçoamento: rotura por esmagamento dos agregados solução Tradicional com betonilha (esquerda); rotura por tração solução Uno com escória (direita) 7

8 εcst ( 10 6 ) εcst ( 10 6 ) D. Cunha; J. Bogas; M. Pereira, Caracterização de betões não estruturais produzidos com agregados de escórias vulcânicas 3.4. Retração Devido ao menor teor de pasta, a retração dos betões cavernosos desenvolve-se tipicamente mais cedo e é menor do que a dos betões convencionais [19, 20]. Por sua vez, o betão leve é geralmente caracterizado por menores retrações iniciais e maiores retrações a longo prazo, face aos betões de igual composição com AN [21, 22]. Esse fenómeno está relacionado com o efeito de cura interna dos AL durante as idades iniciais e a menor restrição à deformação imposta pelos AL de menor rigidez [23]. O mesmo comportamento é verificado no presente estudo, com uma retração menos significativa durante os primeiros três dias (Figura 9). Como esperado, a incorporação de agregados de escória, mais rígidos, conduziu a retrações a longo prazo ligeiramente menores do que nos betões com Leca, de composição semelhante (Tabela 4). A maior rigidez da escória contribuiu para uma redução da retracção, após 90 dias, de aproximadamente 30% (solução tradicional) e 10% (solução Uno e betonilha leve). O facto da espessura da pasta cimentícia em torno dos agregados ser superior nos agregados mais esféricos (área superficial inferior), pode também contribuir para a retração mais elevada dos betões com Leca. Importa realçar o facto de o betão celular com EPS, associado a um elevado volume de pasta e reduzida rigidez, apresentar valores de retração cerca de 6 a 7 vezes superiores aos registados nos restantes betões (Figura 9). A elevada retracção em betões com agregados de EPS é uma preocupação real frequentemente constatada pelos profissionais da construção dias (escala log) STE STL STEP SUE SUL SUEP dias (escala log) Figura 9 - Retracção até 90 dias: Solução tradicional (esquerda); Solução Uno (direita) 3.5. Resistência ao desgaste por abrasão As soluções tradicionais não puderam ser ensaiadas de acordo com a norma DIN [13] devido à sua fraca capacidade resistente. Este tipo de betão consiste apenas num aglomerado de partículas ligadas por uma fina camada de pasta de cimento. As composições com escória (Uno e betonilha leve) apresentaram uma resistência ao desgaste ligeiramente inferior (21-23%) à dos betões com Leca (Tabela 4), que pode ser atribuído à forma mais irregular dos agregados e ao maior teor de vazios entre partículas (Tabela 2). A resistência à abrasão obtida foi cerca de 2 a 3 vezes inferior à observada por outros autores em betões leves estruturais [24] e 4 a 6 vezes inferior à verificada em betões de massa volúmica normal com AN [25], tendo em consideração o mesmo tipo de ensaio utilizado no presente estudo. O betão celular com EPS apresentou a maior redução de espessura (43% superior face ao betão com Leca), devido à menor rigidez e dureza dos seus constituintes. Em relação às betonilhas leves, o desgaste foi superior ao máximo permitido para a classe mais baixa de resistência à abrasão especificada na EN [18] Condutibilidade térmica O uso de escória conduziu aos maiores valores de, sendo cerca de duas vezes superiores aos medidos para as soluções com Leca. Ainda assim, foi possível alcançar soluções não estruturais com coeficientes de condutibilidade entre 0,2 e 0,4 W/m C. Excetuando as soluções Uno com escória, os coeficientes de condutibilidade foram inferiores a 0,2 W/m C, a que corresponde a categoria T2 de argamassas de isolamento térmico, de acordo com a norma EN [26]. Por sua vez, o betão celular com EPS atingiu valores inferiores a 0,1 W/m C, enquadrando-se na categoria T1 de argamassas de isolamento térmico Comportamento do betão após exposição a elevadas temperaturas Como esperado, a resistência à compressão residual diminuiu com o aumento da temperatura, correspondendo a cerca de % nas soluções tradicionais e % no caso das soluções Uno, após exposição a 800 C (Figura 10). A resistência à compressão residual foi sempre superior nos betões com escória, independentemente do tipo de solução (Figura 10). O melhor desempenho do betão com escória pode ser atribuído ao menor desenvolvimento de gradientes térmicos e de humidade, bem como a uma maior capacidade resistente à tração deste tipo de betões com agregados de maior massa volúmica. Nas composições com EPS o betão rompeu por splitting, para temperaturas superiores a 400 ºC. Além disso, estes betões celulares apresentaram as maiores reduções de resistência residual aos 400 C, atingindo valores de apenas 43% (Figura 10). 8

9 Resistência à compressão residual (%) D. Cunha; J. Bogas; M. Pereira, Caracterização de betões não estruturais produzidos com agregados de escórias vulcânicas As soluções Uno apresentaram um melhor desempenho face às soluções tradicionais quando sujeitas a temperaturas elevadas, garantindo resistências residuais superiores a 65% para os 600 C. A menor redução da resistência residual nos betões com escória pode ser justificada pelos mesmos motivos referidos. Note-se ainda, que alguns espécimes de Leca sofreram rotura por splitting, conforme mencionado abaixo. Em geral, os resultados obtidos corroboram a análise visual dos espécimes após a exposição térmica. Para as soluções tradicionais de escória ou Leca, não se verificou grande deterioração até aos 600 C. Após 600 C, desenvolveu-se alguma fissuração e ocorreu o destacamento de partículas na superfície dos espécimes, sendo mais evidente no caso dos betões com Leca Temperatura (ºC) STE STL STEP SUE SUL SUEP Figura 10 Resistência à compressão residual após exposição a diferentes temperaturas Figura 11 Análise visual de vários espécimes após exposição a elevadas temperaturas: SUL após 600ºC rotura por splitting; STEP após 400ºC fissuração profunda; SUEP após 600ºC rotura por splitting Relativamente às soluções Uno, o betão com Leca teve um comportamento distinto do betão com escória, após 600 ºC, ocorrendo rotura por splitting em 3 dos 5 espécimes ensaiados (Figura 11). Isto pode ser justificado pelos maiores gradientes de temperatura gerados no betão com Leca, que se confirmam pelas maiores diferenças de temperaturas obtidas entre a superfície e o interior dos espécimes. Os betões celulares apresentaram elevada fissuração entre 200º C e 400 ºC, bem como alguma delaminação superficial. Após 600 C, ocorreu a rotura de todos os espécimes (Figura 11). O elevado gradiente de temperatura, devido ao menor valor do coeficiente de condutibilidade, e a menor resistência à tração deste tipo de betão são algumas das razões para o seu pior comportamento. Além disso, os agregados de EPS não conseguem resistir a temperaturas superiores a 200 C, aparecendo pequenas cavidades na superfície dos espécimes (Figura 11). 4. CONCLUSÕES No presente estudo foi analisado o comportamento de betões leves não estruturais produzidos com agregados de escória natural provenientes. Em seguida, resumem-se as principais conclusões obtidas: - Foi possível produzir BNEAL com agregados de escória enquadrados nas classes de massa volúmica D1.2-D1.6, com resistências à compressão até 5 MPa; - Apesar da maior capacidade resistente da escória, a resistência à compressão e tração destes betões foi similar à dos BNEAL com Leca. Verifica-se uma elevada correlação entre a resistência mecânica e o volume de vazios entre partículas, que tende a ser superior nos betões com escória devido à menor esfericidade dos seus agregados; - Devido à maior rigidez da escória, o módulo de elasticidade dos BNEAL com este tipo de agregado pode ser cerca de 40 % a 75 % superior ao dos BNEAL com Leca; - Todas as soluções, excepto com EPS, cumpriram os requisitos mínimos definidos na classificação UPEC, para qualquer uma das classes de punçoamento. A melhor resistência ao punçoamento dos BNEAL com escória, até 160% mais elevada do que a dos betões com Leca, é atribuída à maior resistência à tração do betão e maior resistência ao esmagamento da escória; 9

10 D. Cunha; J. Bogas; M. Pereira, Caracterização de betões não estruturais produzidos com agregados de escórias vulcânicas - A utilização de escória permitiu reduzir a retracção aos 90 dias em cerca de 10 a 30 % quando comparado com as soluções com Leca. Nos betões com EPS são atingidas retracções 6 a 7 vezes superiores às das restantes soluções, exigindo especial cuidado na sua aplicação; - A resistência à abrasão foi desprezável nas soluções tradicionais. Mesmo nas soluções Uno, a resistência à abrasão pode ser 2 a 3 vezes superior à de betões leves estruturais correntes; - Apesar da maior massa volúmica da escória, ainda assim foi possível atingir soluções com coeficientes de condutibilidade entre 0,2 e 0,4 w/m.ºc; - O comportamento a elevadas temperaturas dos BNEAL com escória foi sempre superior ao das soluções leves convencionais, independentemente do sistema analisado (tradicional, Uno). Tal é atribuído ao desenvolvimento de menores gradientes de temperatura e humidade e à maior resistência à tração dos betões com escória. Em resumo, foi possível demonstrar que a utilização de agregados de escória é viável na produção de soluções não estruturais para enchimento e regularização de pisos, apresentando resistência mecânica semelhante e menor retracção, maior resistência ao punçoamento e melhor comportamento a elevadas temperaturas do que outras soluções leves não estruturais correntes. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a colaboração das empresas Saint-Gobain Weber Portugal, SECIL, Unibetão e CONTRAVEN pelo fornecimento dos materiais utilizados durante a campanha experimental. Os autores agradecem ainda o apoio do CEris, ICIST/IST, no financiamento do presente trabalho. REFERÊNCIAS [1] Newman, J.B. - Properties of structural lightweight aggregate concrete, In Structural Lightweight Aggregate Concrete, by J.L.Clarke, Chapman & Hall, 1993, pp [2] ACI522R - Report on pervious concrete American Concrete Institute, [3] Spratt, B.H. - An introduction to lightweight concrete Cement and conc. assoc. Pub , p. [4] Pinto, J. et al, Corn cob lightweight concrete for non-structural applications, Construction and Building Materials, Volume 34, 2012, pp [5] Zaetang, Y. et al, Use of lightweight aggregates in pervious concrete, Construction and Building Materials Volume 48, 2013, pp [6] Yang, J.; Jiang, G., Experimental study on properties of pervious concrete pavement materials, Cement and Concrete Research Volume 33, 2003, pp [7] Hossain, K. Blended cement and lightweight concrete using scoria: mix design, strength, durability and heat insulation characteristics, International Journal of Physical Sciences Volume 1, 2006, pp [8] Khandaker M. A.; Mohamed L., Mixture Design, Strength, Durability, and Fire Resistance of Lightweight Pumice Concrete. ACI Materials Journal, 104 (5)-M49, 2007, pp [9] Bogas J.A. et al, Estimation of water absorbed by expanding clay aggregates during structural lightweight concrete production, Mater. Struct. Vol 45, nº10, 2012, pp [10] EN Testing hardened concrete. Shape, dimensions and other requirements for specimens and moulds, European committee for standardization, [11] EN , Ensaios do betão endurecido: resistência à tração por compressão diametral dos provetes de ensaio, IPQ, Lisboa, 2009; [12] LNEC E397. Betões: determinação do módulo de elasticidade em compressão. LNEC, Lisboa, 1993; [13] DIN 52108, Testing of inorganic non-metallic materials: Wear test with the grinding wheel according to Böhme, [14] LNEC E398, Betões: determinação da retração e da expansão, Especificação LNEC, Lisboa, 1993; [15] LNEC Classificação funcional dos revestimentos de pisos e dos locais: Classificação UPEC, LNEC, 1996; [16] RILEM TC 129 MHT - Test methods for mechanical properties of concrete at high temperatures. Part 5: Modulus of elasticity for service and accident conditions, Mat. and Structures, Vol 37, 1995, pp [17] EN 206 Concrete. Specification, performance, production and conformity, CEN, [18] EN 13813, Screed material and floor screeds Screed material Properties and requirements, [19] Ghafoori, N.; Dutta, S., Laboratory Investigation of Compacted No-Fines Concrete for Paving Materials, Journal of Materials in Civil Engineering, Vol 7, No.3, 1995, pp [20] Tennis, P.D. et al, Pervious Concrete Pavement, Port. Cem. Assoc., Nat. Ready Mix. Conc. 2004, 25p. [21] ACI 209.2R-08. Guide for Modeling and Calculating Shrinkage and Creep in Hardened Concrete, [22] Bogas J.A.; Gomes T., Mechanical and Durability Behavior of Structural Lightweight Concrete Produced with Volcanic Scoria, Arabian Journal for Science and Engineering,

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