PROJECTOS DE INVESTIGAÇÃO CIENTÍFICA E DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO RELATÓRIO REFERENTE AO PROJETO PTDC/ECM/099250/2008 Comportamento em serviço de estruturas de betão: uma abordagem multifísica das tensões auto-induzidas Ensaios de secagem e retração em pastas de cimento e betões Autores: Margarida Vieira Miguel Azenha Christoph Sousa José Granja Joaquim Barros Rui Faria Guimarães, UM, 2012 European Union Governo da República Portuguesa
ÍNDICE Índice... 1 1. Introdução... 2 2. Ensaios complementares à Tarefa 1... 4 3. Programa experimental alargado com betão... 7 3.1 Material... 7 3.2 Provetes de ensaio e monitorização... 7 3.3 Procedimento de ensaio... 11 3.4 Resultados preliminares.... 14 4. Relação retração vs humidade... 18 4.1 Provete e procedimento de ensaio... 18 4.3 Ensaio iniciado e resultados preliminares... 22 Referências Bibliográficas... 23 1
1. INTRODUÇÃO No âmbito do projeto de investigação SeLCo - Comportamento em serviço de estruturas de betão: uma abordagem multi-física das tensões auto-induzidas está prevista a realização de 3 tarefas iniciais de cariz experimental, com as seguintes denominações (e cujos objetivos estão detalhados na candidatura do projeto): Tarefa 1 Seleção de técnica experimental para caracterização da humidade interna no betão. Tarefa 2 Monitorização da humidade interna do betão tendo em vista a estimativa de parâmetros para simulação numérica. Tarefa 3 Caracterização laboratorial da retração e da sua relação com a humidade interna do betão. A Tarefa 1 considerou-se fechada com o Relatório 4 do Projeto (Granja 2011) No entanto, após o fecho da tarefa, foi feita uma experiência adicional que ainda se enquadra no âmbito dessa tarefa, relacionada com a validação da utilização de sistemas integrados comerciais de medição de humidade. No capítulo 2 do presente relatório será dada informação detalhada sobre este ensaio, que serviu de base às metodologias a aplicar no contexto das tarefas subsequentes do projeto. O principal objetivo deste relatório centra-se na descrição dos progressos efetuados no âmbito das tarefas 2 e 3 do projeto, fazendo-se a descrição dos trabalhos experimentais encetados com vista ao cumprimento dos objetivos das mesmas. No capítulo 3 são descritos os trabalhos efetuados num programa experimental alargado com aplicação a betão, tendo em vista o cumprimento de objetivos das tarefas 2 e 3, na medida em que é efetuada a monitorização de perfis de humidade e medição da retração em provetes de betão de várias dimensões, e sujeitos a condições ambientais distintas (quer em câmaras climáticas, quer em ambiente exterior). Os resultados correspondentes aos 4 meses de ensaio em secagem serão também reportados, evidenciando o cariz extremamente lento deste tipo de ensaios e a necessidade de alguns meses adicionais de monitorização para obter informação suficiente para simulação numérica integradora. 2
No capítulo 4 do relatório será apresentada a conceção do sistema experimental para ensaios de secagem e retração em pastas de cimento, bem como o programa experimental iniciado para caracterização da relação entre a humidade da matriz porosa e a tendência de retração da pasta de cimento. Serão também apresentados os resultados iniciais deste procedimento experimental. 3
2. ENSAIOS COMPLEMENTARES À TAREFA 1 Os ensaios descritos neste capítulo complementam os trabalhos reportados aquando do relatório da Tarefa 1 (Granja 2011). Os procedimentos de medição de humidade interna do betão por parte dos sistemas integrados disponíveis no mercado, nomeadamente os sistemas Vaisala e Proceq utilizados no âmbito do projeto, pressupõem a colocação do sensor num macro-poro (manga plástica) selado por tampa. O acesso do sensor ao macro-poro selado acarreta a necessidade de remover a tampa de selagem durante alguns segundos para colocação do sensor, procedendo-se de forma análoga após o procedimento de medição. No ensaio aqui reportado pretendeu-se confirmar se os períodos de abertura do macro-poro para colocação e remoção do sensor têm influência sobre os resultados obtidos para a monitorização. Para isso foi efetuada uma montagem experimental que compreendeu o uso de dois sistemas Vaisala em provetes idênticos de pasta de cimento e com medição de humidade à mesma profundidade, sendo um deles usado de acordo com a indicação do fornecedor (i.e. removendo e colocando o sensor em instantes discretos), e o outro sistema foi usado com permanência do sensor dentro do macro-poro selado (i.e., sem abertura do macro-poro em nenhum instante durante o ensaio). A experiência foi efetuada com recurso a 2 provetes de pasta de cimento (w/c= 0.5; CEM II 42.5R) com dimensões 5 5 5 cm. Para materialização do macro-poro em ambos os provetes foi utilizada a manga plástica em PVC com 6 cm de comprimento e 3 cm de diâmetro interior. A profundidade de monitorização da humidade em relação à superfície exposta à secagem foi de 1cm, sendo a manga plástica introduzida pela superfície oposta. Com este procedimento evita-se que haja perturbação da matriz cimentícia em secagem por parte da manga plástica. Na Figura 1 pode observar-se a foto dos moldes com as mangas plásticas pré-colocadas nos moldes. 4
Figura 1 Moldes para monitorização de humidade a 1cm de profundidade Os provetes foram mantidos em condições seladas durante os primeiros 7 dias de idade, sujeitos a T=20ºC. Após a descofragem, ocorrida aos 7 dias de idade, e de modo a garantir fluxo de humidade unidirecional, foram seladas todas as superfícies com parafina, exceto as superfícies perpendiculares ao eixo longitudinal da manga plástica. O ensaio decorreu em câmara climática com temperatura e humidade controlada (T=20ºC e HR=60%). Um dos sensores VAISALA (denominado normal ) foi utilizado de acordo com as indicações do fabricante, sendo retirado e recolocado nos instantes em que se pretendeu fazer a medição (VN), e o outro sensor foi colocado em permanência no interior do macroporo, estando sempre selado (VF). Na figura. 2 pode observar-se fotografias do ensaio em curso. Figura 2 Fotos do ensaio em curso. Os resultados das medições desde o instante de exposição à secagem estão representados na Figura 3, onde se pode confirmar que as medições registadas pelas duas metodologias foram praticamente idênticas em todos os instantes analisados. Esta constatação permitiu confiança acrescida na adoção de sistemas comerciais integrados 5
baseados na aplicação do sensor ao macro-poro em instantes discretos durante o período de ensaio. Consequentemente, nos restantes ensaios a realizar no âmbito do projeto de investigação, serão utilizados os sistemas Vaisala e Hygropin para este tipo de medições. Figura 3 Resultados do ensaio para avaliação do efeito de acesso ao macro-poro em instantes discretos 6
3. PROGRAMA EXPERIMENTAL ALARGADO COM BETÃO No âmbito dos objetivos das Tarefas 2 e 3 do projeto SeLCo, que envolvem a caracterização de perfis de humidade e correspondente retração em provetes de betão, foi efetuado um programa experimental alargado envolvendo estas grandezas. O presente capítulo pretende dar informação sobre os materiais, provetes e procedimentos experimentais, bem como dos resultados obtidos até à data de emissão do presente relatório. 3.1 Material O betão utilizado para este programa experimental tem a composição indicada na Tabela 1 Tabela 1 Componentes das mistura de betão Componente Quantidade (kg/m 3 ) Brita 14/20 478 Brita 6/14 417 Areia Média 786 Areia fina 245 CEM II 42,5 R 280 Cinzas Volantes-Pégo 40 Rheobuild 1000 6 Água 143 3.2 Provetes de ensaio e monitorização Os provetes de ensaios deste programa experimental dividem-se em dois grupos principais: um grupo de provetes destinados a medição de perfis de humidade; outro grupo de provetes para medição de retração. Foram consideradas 3 geometrias distintas para os provetes de ensaio: 10cm 10cm 40cm; 15cm 15cm 60cm e 20cm 20cm 60cm. No que diz respeito a condições de secagem, foram considerados 4 ambientes distintos: T=20ºC; HT=60%; T=35ºC; HR=30%; ambiente exterior abrigado 7
da chuva; ambiente exterior exposto à chuva. Dado o grande número de provetes que seriam implicados caso fossem feitas todas as combinações possíveis de monitorização, geometria de provetes e condições ambientais, definiu-se um programa de ensaios racionalizado aos recursos disponíveis no âmbito do projeto. Esse programa incluiu as quatro condições ambientais e as duas grandezas a monitorizar (humidade e retração), sendo efetuada uma limitação do número de provetes em ensaio. Organizando os provetes de ensaio em função das condições de exposição, pode resumir-se o programa experimental da seguinte forma: Ambiente T=20ºC e HR=60% 2 provetes 10cm 10cm 40cm para medição de perfil de humidade 2 provetes 10cm 10cm 40cm para medição retração de secagem 1 provete 15cm 15cm 60cm para medição de perfil de humidade 1 provete 15cm 15cm 60cm para medição retração de secagem 1 provete 20cm 20cm 60cm para medição de perfil de humidade 1 provete 20cm 20cm 60cm para medição retração de secagem 2 provetes cilíndricos (15cm de diâmetro e 30 cm de comprimento) para caracterização da fluência 3 provetes cilíndricos (15cm de diâmetro e 30 cm de comprimento) para caracterização do módulo de elasticidade Ambiente T=35ºC e HR=30% 2 provetes 10cm 10cm 40cm para medição de perfil de humidade 2 provetes 10cm 10cm 40cm para medição retração de secagem Ambiente exterior abrigado da chuva 2 provetes 10cm 10cm 40cm para medição de perfil de humidade 2 provetes 10cm 10cm 40cm para medição retração de secagem Ambiente exterior não abrigado da chuva 2 provetes 10cm 10cm 40cm para medição de perfil de humidade 2 provetes 10cm 10cm 40cm para medição retração de secagem 8
Refira-se que todos os provetes para medição de perfis de humidade e monitorização da retração foram selados com parafina em 4 faces, deixando duas das faces maiores paralelas sujeitas à secagem. Com este procedimento foi garantida a ocorrência de fluxos unidimensionais de humidade, facilitando a posterior simulação numérica com recurso a modelos 1D. No que diz respeito às medições de perfis de humidade, foram efetuadas em todos os provetes medições a 3 profundidades distintas relativamente a uma das superfícies em secagem: 2cm, 4cm e a metade da profundidade do provete (5cm, 7.5cm e 10cm respetivamente para os provetes com secção transversal 10 10cm, 15 15cm e 20 20cm). O resumo das profundidades de monitorização de humidade nos vários tipos de provete encontra-se esquematicamente representado na Figura 4. Na Figura 5 pode observar-se os moldes utilizados para a betonagem dos provetes de monitorização de perfis de humidade, já com mangas plásticas pré-embebidas (para materialização do macro-poro). Figura 4 Profundidades de monitorização de humidade para os vários tipos de provete 9
Figura 5 Aspeto dos moldes para monitorização de perfis de humidade No que diz respeito à monitorização da retração de secagem, foram utilizados extensómetros de cordas vibrantes de embeber do betão (Gage Technique TES/5.5/T comprimento de referência de 14 cm), colocados longitudinalmente aos provetes e centrados com a sua secção transversal. A Figura 6 mostra o molde dum provete para monitorização da retração com o extensómetro de cordas vibrantes devidamente colocado na sua posição final. Figura 6 Molde para betonagem de provete para medição de retração 10
3.3 Procedimento de ensaio Posteriormente à betonagem os provetes foram mantidos em condições seladas durante os primeiros 7 dias de idade com filme plástico colado nas superfícies não cofradas. A descofragem ocorreu aos 7 dias de idade, sendo os provetes de medição de retração e perfis de humidade selados de acordo com a técnica já mencionada na secção anterior (parafina em 4 superfícies de cada provete). Os provetes foram então distribuídos pelas quatro condições ambientais em estudo, sendo que as condições de T=20ºC;HR=60% e T=35ºC e HR=30% foram garantidas com recurso a câmaras climáticas (ver fotos nas Figuras 7 e 8). No caso dos provetes deixados em ambiente exterior, e devido à necessidade de proximidade relativa ao sistema de aquisição, optou-se pela zona exterior do laboratório adjacente às câmaras climáticas do ensaio. Na Figura 9 pode observar-se uma fotografia dos provetes em ambiente exterior, sendo possível identificar os provetes abrigados do efeito da chuva, bom como os provetes não abrigados. Figura 7 Provetes colocados no interior da câmara climática T=20ºC; HR=60% 11
Figura 8 - Provetes colocados no interior da câmara climática T=35ºC; HR=30% Figura 9 - Provetes colocados em ambiente exterior compreendendo a zona abrigada e a zona não abrigada 12
No que diz respeito a sistemas de aquisição e procedimentos de monitorização, indicase o recurso a um sistema de aquisição autónomo Datataker DT80G para monitorização das extensões medidas pelos sensores de cordas vibrantes. A frequência de aquisição foi normalmente superior a 1 medição por dia, a menos de falhas elétricas e alocações provisórias do sistema de aquisição a outras tarefas. No que diz respeito à medição de humidade, foram respeitados os procedimentos de medição do sistema Vaisala (Granja 2011) efetuando-se medições regulares com periodicidade ditada pelos gradientes observados na evolução da humidade. Independentemente dos gradientes observados, garante-se sempre pelo menos uma medição mensal em cada sensor. Relativamente ao ensaio de fluência, efetuou-se aos 28 dias de idade em bastidor de fluência, com monitorização das extensões num dos provetes através de sensor embebido de cordas vibrantes. No segundo provete foi feita a medição das extensões com comparador externo. No que diz respeito ao ensaio de módulo de elasticidade, este efetuou-se aos 7, 14 e 28 dias de idade. Provete com CV embebida Comprador externo Figura 10 Ensaio de fluência aos 28 dias de idade 13
Extensão (microstan) 3.4 Resultados preliminares. Nas figuras que se seguem são mostrados os resultados obtidos até à data de elaboração do presente relatório, compreendendo resultados relativos à retração (Figura 11), resultados relativos aos perfis de humidade (Figuras 12, 13, 14 e 15). Da análise das várias figuras que acabam de ser mencionadas é possível observar que os resultados estão a seguir as tendências expectáveis, com maior retração nos provetes mais pequenos, associada a secagem mais rápida que é claramente evidenciada pelo sensor de humidade colocado no centro dos provetes. No entanto, apesar de se dispor de mais do que 100 dias de monitorização de humidade e retração, é ainda notória a evolução das várias grandezas, pelo que o ensaio irá ser continuado por mais alguns meses para que se possa fazer a regressão de parâmetros para modelação numérica. Apesar do atraso que tal facto representa para as tarefas 2 e 3 em particular, não terá qualquer impacto no desenvolvimento das restantes tarefas do projeto. 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0-50 -100-150 Camara de 20ºC e 60 %HR Sujeito a chuva Abrigado da chuva Camara 35 ºC e 30 % HR 1 4 7 10 12 15 18 21 23 26 28 31 28 31 36 42 47 52 57 62 Tempo (dias) Figura 11 Retração medida em todos os provetes de ensaio 14
Humidade relativa (%) Humidade relativa (%) 5 cm 2 cm 4 cm 100 90 80 70 60 50 40 0 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131 Tempo (dias) Figura 12 Humidade nos provetes 10 10 40cm no ambiente T=20ºC;HR=60%. 100 90 5 cm 2 cm 4 cm 80 70 60 50 40 0 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131 Tempo (dias) Figura 13 Humidade nos provetes 10 10 40cm no ambiente T=35ºC;HR=30%. 15
Humidade relativa (%) Humidade relativa (%) 7.5 cm 2 cm 4 cm 100 90 80 70 60 50 40 0 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131 Tempo (dias) Figura 14 Humidade no provete 15 15 60cm no ambiente T=20ºC;HR=60%. 100 2 cm 4 cm 10 cm 90 80 70 60 50 40 0 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131 Tempo (dias) Figura 15 Humidade no provete 20 20 60cm no ambiente T=20ºC;HR=60%. 16
Extensão (microstan) No que diz respeito à caracterização mecânica, o módulo de elasticidade aos 28 dias de idade teve o valor de 32 GPa, e o resultado do ensaio de fluência está representado na Figura 16. 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 28 30 32 35 37 39 42 44 46 49 51 54 56 58 61 Tempo (dias) Figura 16 Ensaio de fluência do betão aos 28 dias 17
4. RELAÇÃO RETRAÇÃO VS HUMIDADE Pretende-se com o programa experimental aqui detalhado aferir a relação existente entre o estado de humidade da matriz porosa da pasta de cimento e a correspondente tendência de retração. Para isso foi concebido um sistema de ensaio de pequenas lâminas de pasta de cimento, sujeitas a ambientes de humidade controlada sucessivamente decrescente (desde a saturação), com registo da retração medida para cada patamar de humidade considerado. 4.1 Provete e procedimento de ensaio Dada a intenção de conduzir os ensaios dentro do tempo de realização deste projeto de investigação, optou-se por reduzir ao mínimo possível a espessura dos provetes, levando-a à ordem dos ~2mm. Dada a ausência de normalização ou recomendações de ensaio para provetes tão finos, foi necessário conceber um sistema de ensaio. Após várias tentativas falhadas, principalmente relacionadas com problemas de fissuração do provete, foi possível definir um sistema experimental adequado que se detalha de seguida. O provete de pasta de cimento tem espessura de 2mm e dimensões em planta de 30mm por 100mm. Concebeu-se uma pequena moldura metálica com espessura idêntica à do provete a colocar, sob a qual é colocada uma placa de teflon (ver peças que compõem o sistema experimental na Figura 16, e o sistema experimental montado na Figura 17). O princípio do sistema de ensaio consiste em encastrar o provete numa das extremidades (paralela à aresta de 30 mm) e medir o encurtamento do provete na extremidade oposta com recurso a microscópio ótico. Para materializar o encastramento do provete foi necessário conceber uma peça específica para o efeito, compreendendo uma placa de madeira na parte superior do molde, com 3 pernos metálicos que atravessam o provete. Conforme está representado na Figura 17, o molde está pronto a receber a pasta de cimento. Após a presa do cimento, é possível retirar a placa de teflon inferior, fixar o sistema de medição ao provete e ao molde e iniciar o processo de monitorização da retração. 18
Figura 16 Pormenorização do material necessário para realizar à cofragem. Figura 17 Resultado final da montagem da cofragem. A medição da deformação do provete é feita com recurso à medição do movimento relativo entre a extremidade livre do provete e a moldura metálica que o envolve. Para isso é colocada uma mira em cada um dos materiais para a medição sem contacto poder ser efetuada. A mira baseia-se em chips de SIMs eletrónicos, dado o baixo custo e qualidade das marcações. Na Figura 18 pode observar-se um provete endurecido com colocação das duas miras em questão. 19
Figura 18 Provete endurecido, com colocação de mira para medição de deformação O movimento relativo das duas miras foi monitorizado com recurso a microscópio ótico USB (Figura 19), segundo a metodologia desenvolvidas no âmbito de dissertação de Mestrado Integrado desenvolvida no âmbito deste projeto de investigação (Sousa 2011). Figura 19 Técnica de medição da deformação sem contato. O processo de realização do ensaio compreende a colocação da pasta sobre o molde já identificado na Figura 18, sendo posteriormente colocada película para manutenção da saturação sobre o provete. O peso do provete é registado (por diferença com o peso 20
inicial do molde) e colocado em cura húmida até à idade em que se pretenda iniciar a secagem (p.ex. 7 dias). O aspeto do provete nesta fase está documentado na Figura 19. Figura 19 Molde com pasta de cimento apos ter colocado a pelicula. Refira-se que a colocação das miras para medição da deformação pode ser efetuada logo após a presa da pasta de cimento, permitindo que ainda durante a fase de cura húmida se registem as deformações autogéneas da pasta. No instante em que se pretenda iniciar o processo de secagem, o provete é mudado para localização com humidade controlada (menor que 100%, por exemplo 97%) até estabilização da sua massa e da sua deformação. Após estabilização, são registados os valores de massa e deformação, passando-se o provete a novo patamar de secagem a humidade mais baixa (por exemplo 85%). O processo de registo de informação e redução de humidade repete-se até à humidade mínima desejada (por exemplo 30%). No final do ensaio é registada a relação HR-Peso e a relação HR-Extensão de retração, de utilidade para os modelos de simulação numérica da retração de betões (após aplicação de homogeneização contabilizando o efeito dos agregados). Para evitar que a tomada de medições de deformação com microscópio ótico provoque oscilações na humidade interna do recipiente de ensaio, efetuaram-se furações nas tampas do recipiente (ver Figura 20) para minimizar a área de tampa aberta durante a tomada de medições. Estas furações localizam-se na projeção vertical da zona de interesse para medição da deformação do provete. A medição de deformação é sempre feita previamente à medição da perda em peso no provete, para evitar erros de medição da retração relacionados com variações volumétricas associadas ao processo de medição 21
do peso (uma vez que o provete tem que ser retirado do recipiente para pesagem na balança localizada fora da câmara climática). Figura 20 Furação na tampa do recipiente de ensaio 4.3 Ensaio iniciado e resultados preliminares Com base na técnica reportada nas secções anteriores procedeu-se a um ensaio com pasta de cimento cuja composição coincide com a pasta de cimento contida no betão ensaiado no âmbito do capítulo 3 deste relatório. O ensaio compreendeu a realização de 3 provetes idênticos, sempre mantidos a T=20ºC, e mantidos em ambiente saturado de humidade até aos 7 dias de idade. A partir dos 7 dias de idade iniciou-se o procedimento de secagem por patamares conforme indicado na secção anterior, compreendendo os seguintes valores de humidade relativa: 97%; 85%; 75%, 54%, 33% e 11%. A realização deste ensaio ainda se encontra numa fase inicial (ver resultados preliminares nas Figuras 21 e 22), sendo no entanto já possível identificar os efeitos estabilização de retração e peso para HR=97%, e o regime transiente ocorrido aquando da passagem do provete para ambiente com HR=85%. 22
Perda depeso(g) Extensão (micro-strain) 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Provete 2 Provete 1 Provete 3 Provetes selados, HR 97 % HR 97 % HR 85 % 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Tempo (dias) Figura 21 - Resultados preliminares da evolução da retração 0-0.5-1 -1.5-2 -2.5-3 -3.5-4 -4.5 Tempo (dias) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Provetes selados, HR 97 % HR 97 % HR 85 % Provete 2 Provete 1 Provete 3 Figura 22 - Resultados preliminares da perda de peso REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Granja, J, Azenha, M, Barros, J, Faria, R (2011) Medição de humidade no betão: relatório final da tarefa 1. Relatório do projeto PTDC/ECM/099250/2008 - Comportamento em serviço de estruturas de betão: uma abordagem multi-física das tensões auto-induzidas. Sousa, C. (2011). Concrete behaviour under restraindes shrinkage: Proposal of a new test setup. MSc Thesis. University of Minho. 23