Capítulo 4 COMPORTAMENTO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS
PROPRIEDADES FÍSICAS
DENSIDADE APARENTE E DENSIDADE REAL A DENSIDADE APARENTE é a relação entre a massa do material e o volume total (incluindo o volume dos poros) A DENSIDADE REAL é a relação entre a massa do material e o volume do material (não inclui o volume de poros)
POROSIDADE Pode ser definida como a relação entre o volume de poros no material (vazios) e o volume total do material (incluindo o volume de poros). A porosidade pode ser relacionada com as densidades aparente e real pela seguinte expressão:
POROSIDADE Poros podem ter diversas formas: Podem ser fissuras, vazios irregulares, ou esféricos... Mas são sempre formados pela penetração de gases durante o estado fresco de formação do material. A porosidade pode ser determinada com intrusão de mercúrio (alta precisão) ou com balança hidrostática (pouca precisão) pela determinação do volume de água absorvido pelo material (volume de vazios) e do volume real de material determinado através do empuxo.
PERMEABILIDADE A permeabilidade do material poroso a líquidos pode ser definida pela expressão: O termo gradiente hidráulico define a taxa de redução da pressão com a espessura do material. O gradiente de pressão que direciona o fluido. Se a pressão é medida como a altura de coluna d água, e o gradiente hidráulico não tem unidade, portanto a unidade da permeabilidade é : m3/m2s=m/s.
PERMEABILIDADE A permeabilidade está relacionada com a passagem de gases ou líquidos através dos poros do material e resulta da interconexão entre os poros. A permeabilidade depende do estado físico (gás ou líquido) do fluido e de suas propriedades moleculares. Grandes moléculas, por exemplo, têm acesso mais limitado aos vazios menores. A permeabilidade do material tem influência na sua durabilidade, porém outros fatores estão envolvidos.
PERMEABILIDADE x POROSIDADE Porosidade: Totalidade de vazios em um concreto endurecido. Permeabilidade: Interconexão dos vazios através de canais; Continuidade dos canais entre duas superfícies opostas; É importante para: Concretos em ambientes agressivos: Água, ar, solos; Concreto armado e aparente; Estruturas hidráulicas.
ABSORÇÃO Relaciona-se com os vazios que têm comunicação com o exterior. É o processo físico pelo qual o concreto retém água nos poros e condutos capilares. Indica diferenças de pressão ou de concentração de substâncias em diferentes meios. M H 2 O, Abs. M h M s A M h M s M s x100
PROPRIEDADES MECÂNICAS
PROPRIEDADES MECÂNICAS Propriedades de um material associadas com a capacidade que ele tem de resistir a esforços mecânicos. São exemplos de propriedades mecânicas: RESISTÊNCIA, ELASTICIDADE, DUCTILIDADE, FLUÊNCIA, DUREZA, TENACIDADE. Para melhor entender estas propriedades, é necessário conhecer a definição de TENSÃO e DEFORMAÇÃO.
TENSÃO Tensão é a relação entre a carga aplicada e a área resistente. A tensão é expressa em kgf/cm² ou N/m² (Pascal). Na indústria do concreto, as tensões geralmente são expressas em Mpa = N/mm².
TENSÃO Muitos materiais, tais como cerâmicas, vidros, concreto e alguns metais têm comportamento frágil. Isto geralmente significa que o ponto de ruptura está próximo do limite de elasticidade (a ruptura é drástica, e não dúctil!) As estruturas devem ser dimensionadas de forma que atue sobre os componentes uma tensão aceitável de trabalho. A TENSÃO ACEITÁVEL, PARA CADA MATERIAL, É OBTIDA PELA TENSÃO DE RUPTURA MINORADA POR UM COEFICIENTE DE SEGURANÇA.
DEFORMAÇÃO Deformação é definida como a relação entre a variação de comprimento (após a aplicação de determinada carga) e o comprimento inicial de um material, conforme a seguinte equação: Onde L 0 é o comprimento inicial e L f é o comprimento final, após aplicada determinada solicitação no material.
DEFORMAÇÃO Alguns materiais, a partir de determinada carga, deformam-se excessivamente (sem romper) e não retornam para a sua forma e posição originais depois de retirada a carga. São exemplos disso os metais e alguns polímeros. OBVIAMENTE, É INACEITÁVEL QUE OCORRAM DEFORMAÇÕES EXCESSIVAS NAS CONSTRUÇÕES. Por isso, a tensão de trabalho para estes tipos de materiais é determinada a partir da tensão em que a deformação passa a ser excessiva (tensão de escoamento), e não a partir da tensão de ruptura.
DEFORMAÇÃO O escoamento plástico antes da ruptura é vantajoso pelo fato de que o escoamento do aço não causaria uma ruptura total de uma viga de concreto armado, somente flecha excessiva, alertando os usuários sobre uma possível carga além do limite. Geralmente, a resistência dos metais aumenta pelo trabalho em conjunto com o concreto. Materiais que deformam plasticamente são classificados de DÚCTEIS. A ductilidade é normalmente medida por uma quantidade de alongamento antes da ruptura.
RESISTÊNCIA Resistência pode ser definida como a capacidade de um material ou componente suportar cargas sem se romper ou apresentar excessiva deformação plástica. Materiais são normalmente testados de maneira a simular sua operação na construção, embora as tensões in-situ sejam freqüentemente complexas. As principais formas de teste são: COMPRESSÃO, TRAÇÃO, FLEXÃO E CISALHAMENTO.
RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO As forças de compressão em materiais agem da mesma maneira que a ligação atômica, forçando os átomos a se aproximarem, e esta ação, em geral, não causa a ruptura. Entretanto, a compressão induz a esforços de cisalhamento, e a deformações que conduzem a esforços de tração por efeito do coeficiente de Poisson. Cisalhamento
RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO Dependendo do tipo de material, da forma e tamanho do corpo-deprova e da forma de carregamento, a compressão pode causar ruptura por cisalhamento ou por tração, ou mesmo pela combinação dos dois. O teste de compressão é muito realizado por ser de fácil execução e porque os componentes da construção estão freqüentemente submetidos a esforços de compressão (Concreto, blocos cerâmicos, etc.). IMPORTANTE: São necessários procedimentos padrões para realização dos testes. Vários fatores (forma e dimensões do corpo-de-prova, velocidade de carregamento, etc.) podem influenciar nos resultados obtidos durante o ensaio de compressão.
COEFICIENTE DE POISSON Força uniaxial aplicada sobre uma peça de concreto: Deformação longitudinal na direção da carga. Deformação transversal com sinal contrário. n Relação entre a deformação transversal e a longitudinal. Concreto: n = 0,2 Para tensões de compressão menores do que 0,5fc.
RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO Influência do tamanho do corpo-de prova na resistência à compressão de cilindros de concreto com a mesma relação a/c.
RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO Cubo de gesso sendo ensaiado à compressão. O tamanho do corpo-deprova influencia no resultado obtido, já que o atrito entre o dispositivo de aplicação da carga e o material atuam como reforço.
RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO A resistência à compressão do material ensaiado é determinado com a seguinte expressão: Onde P é a carga de ruptura e A é a área da seção transversal resistente.
RESISTÊNCIA À TRAÇÃO DIRETA Testes de tração são utilizados em componentes metálicos ou fibrosos projetados para trabalhar sob tensões de tração. São também, ocasionalmente, utilizados em materiais não trabalham principalmente comprimidos, como o concreto, quando alguma performance à tração é requerida. O principal problema é a obtenção de um sistema de garras eficiente. As garras não devem ser lisas e devem segurar mais firmemente o CP à medida que aumenta a carga.
RESISTÊNCIA À TRAÇÃO DIRETA Outro problema encontrado no ensaio de tração é que alguns tipos de amostra tendem a romper nas proximidades das garras. Isto pode ser resolvido utilizando-se corpos-de prova com seção reduzida no centro ou com envelopamento das pontas dos corpos-de prova. O cálculo da resistência à tração do material é calculado da mesma forma que a resistência à compressão, ou seja, dividindo-se a carga de ruptura pela área da seção resistente.
RESISTÊNCIA À TRAÇÃO DIRETA Durante o ensaio de tração, podem ser utilizados alguns dispositivos para medir deformações. STRAIN GAGES Extensômetros elétricos muito sensíveis a deformações são colados no material e sua resistência elétrica varia com a deformação do material. CLIPAGE Extensômetros dinâmicos (menor precisão)
RESISTÊNCIA À TRAÇÃO POR COMPRESSÃO DIAMETRAL Ensaio brasileiro de compressão diametral Desenvolvido pelo Professor Lobo Carneiro em 1943. A aplicação de duas forças concentradas e diametralmente opostas de compressão em um cilindro gera, ao longo do diâmetro solicitado, tensões de tração uniformes perpendiculares a este diâmetro. A popularidade deste ensaio reside não somente na facilidade e rapidez de execução, mas como também no fato de utilizar o mesmo corpo-de-prova cilíndrico e equipamento usados para a obtenção da resistência à compressão do concreto-cimento.
RESISTÊNCIA À TRAÇÃO POR COMPRESSÃO DIAMETRAL Ensaio brasileiro de compressão diametral Desenvolvido pelo Professor Lobo Carneiro em 1943. A aplicação de duas forças concentradas e diametralmente opostas de compressão em um cilindro gera, ao longo do diâmetro solicitado, tensões de tração uniformes perpendiculares a este diâmetro. A popularidade deste ensaio reside não somente na facilidade e rapidez de execução, mas como também no fato de utilizar o mesmo corpo-de-prova cilíndrico e equipamento usados para a obtenção da resistência à compressão do concreto-cimento.
RESISTÊNCIA À TRAÇÃO POR COMPRESSÃO DIAMETRAL
RESISTÊNCIA À TRAÇÃO NA FLEXÃO No ensaio de flexão, as cargas são aplicadas através de roletes que se alinham com a superfície do CP. Geralmente, é utilizado um rolete (flexão com três pontos) ou dois roletes (flexão com quatro pontos) para a aplicação de carga. Nos testes em concreto, dois roletes são empregados a 1/3 e 2/3 do vão e este método dá um momento constante no terço central. Durante o ensaio de flexão, a viga fica sujeita a compressão no topo e tração na base. Existe um plano com deformação zero (linha neutra) e, em uma viga com seção retangular, assume-se estar na espessura média.
RESISTÊNCIA À TRAÇÃO NA FLEXÃO Teste de flexão com quatro pontos. Detalhe: LVDT colocado no meio do vão para medição da flecha (deformação na flexão).
RESISTÊNCIA À TRAÇÃO NA FLEXÃO - Concretos Carregamentos em duas seções simétricas, até à ruptura. Carregamento nos terços. Resultados, em geral, maiores que os dos demais ensaios de resistência à tração.
RESISTÊNCIA À TRAÇÃO NA FLEXÃO Tensões são usualmente calculadas assumindo que a teoria da flexão clássica é válida A deformação do material aumenta linearmente com a distância até a linha neutra. Entretanto, em alguns materiais, a teoria da flexão não é completamente válida! Exemplos: No concreto, a linha neutra tende a deslocar-se durante o teste, aumentando a área tracionada, o que gera um resultado de resistência à tração na flexão superior ao real. Em materiais fibrosos, a zona de compressão é mais crítica. O eixo neutro tende a deslocar-se para baixo aumentando a área crítica de compressão e gerando um resultado de resistência à compressão superior ao real.
RIGIDEZ A rigidez pode ser definida como a capacidade de um material ou componente resistir a deformação quando submetido a tensão. A rigidez é medida pelo módulo de elasticidade, que é a relação entre a tensão aplicada no componente e a deformação resultante desta tensão. O módulo de elasticidade é obtido do gráfico tensão x deformação do material, sendo E igual a inclinação da curva no trecho elástico. Geralmente, trata-se de uma tensão baixa comparada a tensão de ruptura. MATERIAIS ELÁSTICOS: Lei de Hooke Deformações proporcionais às tensões aplicadas. MATERIAIS NÃO ELÁSTICOS: Gráficos de Tensão x Deformação não lineares.
RIGIDEZ Exemplos de materiais com respectivos módulos de elasticidade: Elementos da construção podem estar sujeitos a variações dimensionais que geram conflitos em termos de rigidez. Materiais cerâmicos, concretos ou aço de construção se enquadram nesta categoria. Se não estiverem livres para se movimentar, originam tensões. Devem-se projetar juntas de dilatação para materiais de alta rigidez sujeitos a deformações.
RIGIDEZ Exemplos de materiais com respectivos módulos de elasticidade: Para uma dada deformação, materiais com alta rigidez estão sujeitos a maiores tensões. Elementos da construção podem estar sujeitos a variações dimensionais que geram conflitos em termos de rigidez. Materiais cerâmicos, concretos ou aço de construção se enquadram nesta categoria. Se não estiverem livres para se movimentar, originam tensões. Devem-se projetar juntas de dilatação para materiais de alta rigidez sujeitos a deformações.
TENACIDADE A tenacidade de um material reflete sua capacidade de absorver energias na forma de impactos. (carregamentos de duração instantânea). A tenacidade pode ser facilmente medida por uma máquina tipo pêndulo, como o pêndulo Charpy. A amostra padrão contém um entalhe para iniciar a ruptura, é cuidadosamente colocada em uma máquina e submetida ao impacto por um pêndulo pesado. A energia absorvida é igual a perda de energia do pêndulo, indicado pela diferença na altura das posições do pêndulo antes e depois do impacto.
TENACIDADE A tenacidade de um material reflete sua capacidade de absorver energias na forma de impactos. (carregamentos de duração instantânea). A tenacidade pode ser facilmente medida por uma máquina tipo pêndulo, como o pêndulo Charpy. A amostra padrão contém um entalhe para iniciar a ruptura, é cuidadosamente colocada em uma máquina e submetida ao impacto por um pêndulo pesado. A energia absorvida é igual a perda de energia do pêndulo, indicado pela diferença na altura das posições do pêndulo antes e depois do impacto. Vale ressaltar que alta tenacidade não implica necessariamente em alta resistência!
FLUÊNCIA A fluência é definida como a deformação com o tempo, resultado de aplicações prolongadas de tensão. É considerada de produção muito lenta. A fluência ocorre principalmente em três tipos de material: Metais submetidos a tensões sob temperaturas próximas ao ponto de fusão. (Quando estão submetidos a tensões em temperaturas bem abaixo do ponto de fusão, como o aço a temperatura ambiente, geralmente, a fluência não é um grande problema). Materiais susceptíveis a umidade que, por exemplo, expandem com a presença de água, são passíveis de exibir fluência relacionada com o escoamento da umidade no material. (Materiais porosos, como o concreto, estão sujeitos a fluência pela perda de umidade). Materiais fibrosos. A fluência nestes materiais podem resultar do escorregamento da fibra na matriz. (O maior exemplo disso é a madeira).
FADIGA Rupturas por fadiga resultam de aplicações repetidas de tensão. A ruptura em muitos materiais ocorre com tensões bem abaixo da tensão de ruptura, se o carregamento for aplicado repetidamente. O número de ciclos até ruptura depende da tensão aplicada.
FADIGA A resistência à fadiga pode ser medida. Em materiais como madeira e concreto, os testes são normalmente feitos com carregamento repetido em vigas. Rupturas por fadiga são raras em elementos estruturais, mas em alguns componentes, este tipo de ruptura é comum Por exemplo, em componentes metálicos como dobradiças. Desenvolvimento de estruturas sujeitas ao tráfego veicular, como estradas e pontes devem levar em conta o efeito da fadiga.
DUREZA Dureza pode ser definida como a resistência ao entalhe (risco). Testes para determinar a dureza normalmente envolvem a medida do diâmetro da depressão permanente causada pela penetração de uma esfera dura na superfície do material com uma carga padrão, como por exemplo, o teste de dureza Brinell, usada em testes de metais. O teste de dureza está bem relacionado com a resistência dos metais. Assim, este teste é utilizado para avaliar o efeito dos tratamentos térmicos em metais.
DUREZA Alguns ensaios de avaliação da dureza são usados para estimar a resistência à compressão de materiais, como o concreto. Esclerômetro Martelo de Schmidt Testes de dureza são muito relevantes na avaliação da performance de materiais para paredes e pisos.
RESISTÊNCIA À ABRASÃO É definida como a capacidade de uma superfície resistir ao desgaste devido ao atrito com objetos ou materiais em movimento. Superfícies duras geralmente são resistentes à abrasão, mas a resistência à abrasão de superfícies moles pode também ser aumentada com tratamentos superficiais que dependem do tipo de tráfego. Cavitação: Fenômeno relacionado com o desgaste causado pela formação e colapso de vazios em materiais que têm contato com líquidos com escoamento rápido. Tensões locais muito altas podem produzir descascamento. A utilização de superfícies duras e resistentes a abrasão é a melhor maneira de aumentar a vida útil de materiais em contato com líquidos escoando em alta velocidade.