ENSAIO DE FRATURA EM CONCRETO: PARTE 2

JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003 07-03B ENSAIO DE FRATURA EM CONCRETO: PARTE 2 Effting 1, C.; Bressan 2, J.D. 1 Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC),Caixa Postal 631, Joinville, Brasil, carmeane@terra.com.br 2 Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC),Cx. Postal 631, Joinville, Brasil, dem2jdb@joinville.udesc.br Os rejeitos das cinzas leves provenientes da queima do carvão em pó nas termelétricas constituem um problema ambiental que pode ser solucionado através de sua adição, em pequena quantidade, na massa de concreto na construção civil. O presente trabalho investiga o efeito na resistência à fratura de concreto na substituição de 10% da massa do cimento por cinza leve proveniente da queima de carvão de uma termelétrica. Utilizou-se para os ensaios mecânicos corpos de prova cilíndricos e prismáticos. Na preparação da mistura do concreto, utilizou-se o cimento portland resistente aos sulfatos, CPV-ARI RS, juntamente com a cinza, plastificante Mastermix 393 N e areias adquiridas de empresas da região de Joinville: areia Veiga e areia Piraí.Foram realizadas análises de morfologia dessas matérias primas, análise da composição química através do raio-x e caracterização da microestrutura dos corpos de prova com auxílio do MEV. Além disso, através da investigação das várias metodologias de ensaio de fratura existentes para determinar o K1c do concreto e os métodos de ensaio para se determinar a energia de fratura e outras características de fratura do concreto, são apresentados alguns resultados novos na relação entre estes ensaios de fratura, analisando-se os méritos destes métodos. Propõe-se também um novo procedimento de ensaio para medir a tenacidade à fratura de concreto no qual uma viga entalhada é testada em flexão a três pontos, semelhante ao ensaio de resistência à flexão de placas de cerâmica refratária. Os resultados experimentais foram obtidos através de trinta corpos de prova cilíndricos de 100mm x 200mm para ensaios de compressão e três corpos de prova prismáticos entalhados de 100 x 100 x 550mm utilizados para o ensaio de flexão e que são apresentados, discutidos e comparados entre si e com os valores da literatura. Palavras-chave: Mecânica da fratura, Concreto de alta resistência, Ensaio de fratura, Cinza leve. 1. INTRODUÇÃO O presente trabalho investiga o efeito na resistência à fratura de concreto na substituição de 10% da massa do cimento por cinza leve proveniente da queima de carvão de uma termelétrica. Utilizou-se para os ensaios mecânicos corpos de prova cilíndricos no ensaio de compressão e corpos de prova de vigas prismáticas entalhadas em flexão. Na preparação da mistura do concreto, utilizou-se o cimento portland resistente a sulfatos, CPV-ARI RS, juntamente com a cinza, plastificante Mastermix 393N e areias adquiridas de empresas da região de Joinville: areia Veiga e areia Piraí. Foram realizadas análises de morfologia dessas matérias-primas, análise da composição química através do raio-x e caracterização da microestrutura e superfície de fratura dos corpos de prova com auxílio do MEV. Os resultados experimentais foram obtidos através de quarenta corpos de prova cilíndricos de 100mm x 200mm para ensaios de compressão e três corpos de prismáticos entalhados de 100 x 100 x 550mm utilizados para o ensaio de flexão e que são apresentados, discutidos e comparados entre si e com os valores da literatura. 2. METODOLOGIA DE TESTE DE FRATURA A metodologia utilizada no presente trabalho é o ensiao de flexão à três pontos de viga entalhada, ver Fig.1. Esta recomendação abrange a determinação do fator de intensidade de tensão crítico K IC e o deslocamento crítico de abertura da ponta da trinca CTOD c de argamassa e concreto, utizando ensaios de flexão a três pontos de vigas entalhadas. O fator de intensidade de tensão crítico K IC é definido como o fator de intensidade de tensão calculado na ponta da trinca efetiva crítica, utilizando a medida da carga máxima. O deslocamento crítico da abertura na ponta da trinca é definido como o deslocamento de abertura da ponta da trinca calculada na ponta do entalhe original do corpo de prova, utilizando a carga máxima medida e o comprimento crítico da trinca efetiva. O fator de intensidade de tensão crítico e o deslocamento crítico de abertura da ponta da fissura, junto com o módulo de Young E, são suficientes para caracterizar a resistência de fratura e a dissipação de energia de concreto e argamassa. Este é o método experimental utilizado no presente trabalho e está demonstrado no item 3 da metodologia experimental vista abaixo. Figura1. Configuração do ensaio e geometria dos corpos de prova de vigas prismáticas entalhadas. 614

3. MÉTODOLOGIA EXPERIMENTAL: As proporções de mistura em peso para cada grupo de teste para o ensaio de compressão e de flexão foram baseados nas diretrizes sugeridas por LIBARDI (UFSCar, 2003): cimento: 15% em massa; cinza: 10% da massa do cimento; agregado: 40% em massa; areia:38% em massa; água: 6% em massa; plastificante:1% da massa de cimento+cinza Os corpos de prova foram devidamente preparados conforme as especificações da NBR 5738 e NBR 9775 que prescreve o modo de proceder a determinação da umidade superficial em agregados miúdos pelo frasco de Chapman. Para a preparação do concreto, realizouse primeiro uma mistura a seco, dentro da betoneira, posteriormente incorporou-se água e efetuou-se a mistura por 3 min, constatando uma boa plasticidade da massa cerâmica. A consistência do concreto foi determinada por meio do ensaio do abatimento do tronco de cone, NBR 7223. Logo após, cada corpo de prova foi moldado pelo processo de adensamento vibratório, durante 2 min para cdp`s cilíndricos e 3 min para cdp`s prismáticos, com a freqüência de 60Hz. Para os ensaios de compressão e flexão, foram moldados quarenta corpos de prova cilíndricos de dimensões 100 x 200 mm: vinte com a areia Piraí e os outros vinte com areia Veiga. Após a desforma, 24 h para os corpos de prova cilíndricos e 48h para os prismáticos, os corpos de prova foram conservados imersos em água saturada de cal, até atingirem 28 dias de idade para a realização dos ensaios. Corpos de prova cilíndricos: para o ensaio de compressão, os corpos de prova cilíndricos foram capeados para garantir o acabamento liso e plano das extremidades após o endurecimento e resistência à compressão compatível com os valores normalmente obtidos em concreto. Corpos de prova de vigas prismáticas: segundo a recomendação da RILEM [1], para a determinação dos parâmetros de fratura K1C e o deslocamento crítico de abertura da ponta da trinca CTODc do concreto, utilizando ensaios de flexão a três pontos em vigas entalhadas: o fator de intensidade de tensão crítico K1C está definido como o fator de intensidade de tensão calculado na ponta da trinca efetiva crítica, utilizando a medida da carga máxima. O CMODc é definido como o deslocamento de abertura da boca da trinca determinada na aresta do entalhe original do corpo de prova. Para este ensaio, foram moldados três corpos de prova de vigas prismáticas 100 x 100 x 550 mm como indicado na Fig.1, com um entalhe de largura 3mm e profundidade 32mm, e desmoldados também aos 28 dias de idade. Através da Fig. 1, podemos observar a configuração do ensaio e geometria dos corpos de prova de vigas prismáticas entalhadas, onde P é a carga aplicada, L é o comprimento total do corpo de prova, S é a distância entre os vãos do corpo de prova, d é a altura da viga, b é a espessura da viga, H o é a espessura da unha que segura o clip gauge, a o é a profundidade do entalhe inicial e o CMOD é o deslocamento de abertura da boca da trinca determinada na aresta do entalhe original do corpo de prova. A altura da viga testada será a superfície horizontal durante a cura. Neste ensaio utilizou-se a máquina universal de ensaio de 10ton, EMIC, automatizada com velocidade de deslocamento do punção de 0,1mm/min. O deslocamento da abertura da boca da trinca (CMOD) foi medido através de um clip gauge. O deslocamento de abertura da boca da trinca e a carga aplicada foram registrados em intervalos durante o ensaio. Para minimizar possíveis erros causados pela exentricidade o CMOD foi medido na linha longitudinal central da face que continha o entalhe. 4. MATERIAIS E CARACTERIZAÇÃO: Os materiais utilizados estão apresentados abaixo: O cimento Portland utilizado neste trabalho é da marca Itamb é CPV ARI RS. Os dois tipos de areias analisadas foram adquiridas de empresas da região de Joinville: areia Veiga e areia Piraí. O agregado (brita 1) utilizado é da jazida do Rudnick. A cinza utilizada neste estudo foi doada pelo Complexo Termelétri co JORGE LACERDA. O Plastificante utilizado é o Mastermix 393N. A caracterização microestrutural de um material, de uma maneira geral é realizada sobre superfície de fratura dos fragmentos recuperados do ensaio mecânico, com ajuda da técnica de microscopia eletrônica de varredura. Essa técnica permite observar a microestrutura do material, identificando a formação do gel e a existência de cristais anidritos na microestrutura, microfissurações e defeitos. O estudo de caracterização da microestrutura para os diferentes materiais foi realizado utilizando a técnica de microscopia eletrônica de varredura, o qual serviu de apoio para caracterização da morfologia das matérias-primas e das superfícies de fratura para os diferentes materiais obtidos. Os resultados de um dos estudos de caracterização da morfologia das matérias-primas, areias utilizadas na preparação dos concretos, constatando uma heterogeneidade da forma e do tamanho dos grânulos está ilustrado na Figura 2. A Figura 3 mostra o espectro obtido da micro -análise por EDX, realizado sobre estes aglomerados. 615

Para melhor conhecimento do cimento utilizado na confecção dos corpos de prova realizou-se um estudo de caracterização da morfologia do cimento Portland onde podemos observar uma heterogeneidade no tamanho e forma das partículas, constatando-se também, a presença de cinzas conforme ilustrado pelas partículas mais finas presentes na Figura 4. A Figura 5 mostra a morfologia da cinza leve, onde podemos notar também a grande disersão do tamanho das partículas. Uma análise por EDX (Fig. 6) mostra um pico de Al 6 Si 2 O 13 em maior intensidade evidenciando a formação da fase mulita. Além da mulita, podemos observar também a presença de quartzo (Si 2 O 2 ). 100µm Figura 2. Morfologia da areia Piraí, mostrando heterogeneidade dos grânulos. Aumento 100x. Figura 3. Espectro de EDX indicando os elementos químicos constituem a areia do Piraí. 20µm 20µm Figura 4. Micrografia do cimento mostrando a heterogeneidade do tamanho das partículas e a presença de cinzas, parte fina. Aumento 500x. Figura 5. Micrografia da cinza mostrando a dispersão do tamanho das partículas. Aumento 500x. 616

Figura 6. Espectro de EDX indicando os elementos químicos que constituem a cinza leve. 4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS: Através da micrografia pode-se verificar a presença de poros que facilitam a propagação da trinca (Figuras 7). Estas porosidades e defeitos podem ter sido gerados na fabricação (bolhas de ar na massa) ou pelo arrancamento de grãos no fraturamento da amostra. Tamb ém na Figura 7, observamos que há um descolamento do agregado e da pasta (argamassa), já que a fratura ocorre nos contornos dos agregados. A fratura progressiva do material e a distribuição das microfissuras não permite identificar claramente como nos metais, uma resposta característica da fratura. Como podemos observar na Figura 8, na qual a trinca se ramifica, se propagando em várias direções. 5µm Figura 8. Microestrutura da superfície de fratura do concreto sem cinza, com areia do Piraí. Aumento 3000x. 100µm Figura 8. Microestrutura da superfície de fratura do concreto sem cinza, com areia do Veiga. Aumento 150x. 617 Figura 9. Ensaio de compressão do cdp cilíndrico composto com cinza e areia do Veiga com fator água/cimento de 0,36.

Carga [kgf] 350 300 250 200 150 100 50 0 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 Abertura da trinca CMOD [mm] Fig.10. Curva resultante (Carga x CMOD) do ensaio de flexão dos cdp s de viga prismática entalhada. Tabela 1. Valores da tenacidade à fratura obtidos no ensaio de flexão dos cdp s de vigas prismáticas entalhadas. Características dos CDP's prismáticos P [kgf] (ensaio de flexão): K1C K1C (MPa 310 0,60 300 0,58 300 0,58 m ) Tabela 2. Valores da resistência à compressão dos cdp s no ensaio de flexão e de compressão. CDP Ensaio de compressão cilíndrico σ rup (MPa) Ensaio de flexão de vigas prismáticas σ rup (MPa) com cinza 37,5 2,0 sem cinza 38,7 - com cinza e fator a/c =0, 36 42,5 - CONCLUSÕES : Este estudo preliminar comprovou que é possível utilizar 10% de cinza do carvão em substituição ao cimento no concreto, pois a resistência à compressão dos corpos de prova cilíndricos de concreto com a adição de cinza apresentaram resultados semelhantes aos cdp s sem cinza [2]: aproximadamente 38 MPa. Entrento, para um fator água/cimento de 0.32, a resistência foi maior e de 42,5 MPa. Do gráfico resultante do ensaio de flexão nos corpos de prova de vigas prismáticas entalhadas de concreto, gráfico carga P x CMOD, podemos observar que o comportamento do concreto de acordo com a mecânica da fratura é não-linear. Entretanto, calculando-se o K1C pela metodologia da mecânica da fratura elástica linear, o valor médio encontrado da tenacidade à fratura é de 0,59 MPa m. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: [1] Rilem Committee on Fracture Mechanics of Concrete (TC89-FMT). Determination of the fracture parameters (Ks IC and CTODc) of plain concrete using three-point bend test, Materials and Structures, v.23, pp.457-460, (1991). [2] METHA, P. K. ; MONTEIRO, PP.J.M. Concreto : Estruturas, Propriedades e Materiais. Editora Pini, São Paulo, 1994. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer o apoio financeiro recebido do CNPq, CAPES e UDESC-SC-BRASIL. Gostariam de agradecer também a empresa Tractebel pela doação da cinza. 618