...................................................................................................................................... 22 Educação & Tecnologia Determinação experimental do módulo de elasticidade do concreto convencional e com agregados de escória de aciaria Experimental determination of Young s Modulus of concrete with natural and steel slag aggregates Júnia Nunes de Paula Stief 1 Nilton da Silva Maia 2 Ricardo André Fiorotti Peixoto 3 Este artigo descreve ensaios para caracterização das propriedades mecânicas do concreto com agregados de escória de aciaria, para ser utilizado em elementos estruturais, com resistência à compressão mínima de 30MPa aos 28 dias. Os ensaios de resistência à compressão foram realizados aos 3, 7 e 28 dias. Foram utilizados extensômetros de resistência elétrica, strain gages colados ao corpo-de-prova, e clipe gages para determinação experimental do módulo de elasticidade. Os valores obtidos pelas duas técnicas foram comparados. Verificou-se que as duas técnicas apresentam medidas compatíveis com o módulo de elasticidade esperado. Palavras-chave: Módulo de Elasticidade; Extensometria; Escória; Resíduo; Aquisição de Sinais. This paper describes the tests for characterization of the mechanical properties of steel slag concrete to be used in structural elements. In 28 days the compression strength arrived 30MPa. The compression strength tests were performed with 3, 7 and 28 days. It was employed strain gages bonded on the specimens surface and clip gages for experimental determination of the modulus of elasticity. The results obtained from those two techniques were compared. It was concluded that both two techniques presented compatible values with the expected modulus of elasticity. Keywords: Modulus of Elasticity; Strain Gages Technique; Steel Slag; Waste; Signal Acquirement. 1 INTRODUÇÃO A escória da aciaria obtida mediante a transformação do ferro-gusa líquido e da sucata em aço possui características físicas e mecânicas iguais ou superiores aos agregados naturais (FREITAS, 2001). A utilização da escória de aciaria como agregado no concreto poderá ser considerada uma solução, principalmente quando a má qualidade dos agregados locais não permite seu uso, ou quando o transporte é inviável (MASLEHUDIN et al., 2003). O concreto armado produzido com agregado de escória de aciaria é uma alternativa ambiental ao oferecer destino aos resíduos e reduzir o consumo de reservas naturais (STIEF; MAIA; PEIXOTO, 2008). O concreto é um material heterogêneo constituído por cimento, água e agregados. Os agregados correspondem a 70% do volume do concreto e influenciam propriedades como trabalhabilidade, resistência, módulo de elasticidade, densidade e durabilidade. No concreto estrutural, as propriedades mais importantes são o limite de resistência e o módulo de elasticidade. O módulo de elasticidade é definido pela relação entre a tensão aplicada e a deformação instantânea dentro de um limite proporcional adotado (MEHTA; MONTEIRO, 2008). A extensometria é uma técnica experimental utilizada para determinação das propriedades mecânicas tanto para materiais consolidados no mercado quanto para novos materiais. Outra aplicação é o acompanhamento de seu comportamento durante serviço (MAIA, 1998). A extensometria permite medir as deformações reais em serviço para as estruturas de interesse. Por meio dessa técnica é possível aprimorar os modelos físicos e matemáticos que permitem descrever o comportamento das estruturas reais em operação. Os strain gages são extensômetros de resistência elétrica que podem ser colados à superfície do material ou embutidos em um corpo-de-prova (PACHECO, 2007). A escolha dessa técnica possibilita resultados coerentes para solicitações dinâmicas e estáticas aliado à facilidade de instalação. O clipe gage consiste em dois braços unidos por 1 Mestranda em Engenharia Civil PPGEC-CEFET-MG. juniapstief@ig.com.br 2 Professor do Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil do CEFET-MG. niltonmaia@civil.cefetmg.br 3 Professor do Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil do CEFET-MG. fiorotti@civil.cefetmg.br Recebido em: 31/3/2009; Aceito em: 2/12/2009.
........................................................ Educação.......... &.. Tecnologia............................................................... 23 um elemento de fixação em uma das extremidades. Na extremidade oposta à fixação, os braços permitem o encaixamento no corpo-de-prova. A curva de calibração relaciona a abertura ou a deformação dos braços com a variação da intensidade da corrente (μa) proveniente do extensômetro (EFTTING, 2004). Os ensaios aqui relatados realizados foram: resistência à compressão em corpos-de-prova de concreto convencional e reciclado; e módulo de elasticidade do concreto convencional e reciclado, com utilização de clipe gage e strain gage. Os ensaios foram realizados nas idades de 3, 7 e 28 dias, nos corpos-de-prova de concreto convencional e reciclado. Os resultados obtidos permitiram, nesta fase, a comparação dos valores obtidos para os dois tipos de concreto. convencional e com escória para a pesquisa (PEIXOTO, 2008). O trabalho do grupo de pesquisa Reciclos, realizado no Laboratório de Materiais do CEFET-MG, estudou as propriedades físicas e mecânicas dos concretos convencional (C10, C20 e C30) e reciclado de escória de aciaria proveniente da CST. A tabela 2 apresenta o traço para o concreto convencional C30. C30 convencional TABELA 2: TRAÇO DO CONCRETO CONVENCIONAL C30. Cimento Areia Brita 0 Brita 1 Fator A/C Peso (kg) 1,00 2,00 0,44 2,26 0,6 A tabela 3 apresenta o traço para o concreto com escória C30. 2. COMPOSIÇÃO E FABRICAÇÃO DOS CONCRETOS: CONVENCIONAL E RECICLADO TABELA 3: TRAÇO DO CONCRETO RECICLADO C30. C30 com escória Cimento Escória (0-4,8)mm Escória (9,5-12,5)mm Escória (12,5-25)mm Fator A/C Peso (kg) 1,00 2,65 1,49 1,49 0,6 Os materiais utilizados para composição e fabricação dos concretos a serem utilizados foram: cimento CPV-ARI-RS, areia lavada grossa natural, brita 0 calcária, brita 1 calcária, escória granulada de aciaria proveniente da Açominas, com diâmetros de 0 a 4,8 mm, 9,5 a 12,5 mm e 12,4 a 25 mm. A escolha do cimento CPV ARI-RS (resistente a sulfatos) deveu-se à necessidade de obtenção de alta resistência inicial, característica básica desse tipo de cimento. O primeiro passo para a dosagem dos dois tipos de concreto foi a caracterização física dos materiais constituintes. Os ensaios realizados para a caracterização física dos agregados naturais e reciclados foram: granulometria; massa específica; massa unitária; teor de umidade; e teor de material pulverulento. A tabela 1 apresenta os dados obtidos nos ensaios de caracterização dos agregados. TABELA 1: CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DOS AGREGADOS NATURAIS E RECICLADOS. O fator água-cimento para os dois tipos de concreto foi fixado de acordo com a NBR6118/2003, que prevê, para a classe de agressividade ambiental II urbana, fator água-cimento menor ou igual a 0,6 (ABNT, 2003). A consistência do concreto fresco corresponde à maior ou menor capacidade que o concreto tem de se deformar. A trabalhabilidade está relacionada à facilidade de lançamento e adensamento do concreto. A consistência do concreto fresco foi determinada pelo ensaio de abatimento do tronco de cone do concreto, denominado de Slump (ABNT, 1998). Um concreto com slump alto é considerado de boa trabalhabilidade. Obteve-se slump de 15cm para o concreto convencional e de 2,5 cm para o concreto reciclado. A redução da trabalhabilidade é atribuída à substituição dos agregados naturais pelo agregado da escória, que apresenta maior porosidade (QASRAWI; SHALABI; ASI, 2008). A figura 1 apresenta o slump do concreto convencional e a figura 2, o slump do concreto reciclado. Material Dimensões em mm Massa Específica (g/cm3) Massa Unitária (kg/dm3) Teor de umidade (%) Pulverulento (%) Areia 2,57 1,45 5,3 0,4 Escória (0-4,8) 3,06 1,74 10,2 9,0 Brita 0 2,42 1,37 3,2 Escória (9,5-12,5) 2,88 1,76 6,5 Brita 1 2,61 1,37 2,8 Escória (12,5-25) 2,94 1,73 4,9 A pesquisa desenvolvida pelo Grupo Reciclos, do CNPq/CEFET-MG, forneceu o traço do concreto Figura 1: Slump do concreto convencional. Figura 2: Slump do concreto com escória.
...................................................................................................................................... 24 Educação & Tecnologia Foram moldados 24 corpos-de-prova de Ǿ10x20cm para cada tipo de concreto, de acordo com a NBR 5738 (ABNT, 1994). Os corpos-de-prova foram submetidos a cura úmida. equação 1: Sendo que o equação 2. (1) deverá ser calculado conforme a 3 ENSAIOS REALIZADOS Sendo, (2) 3.1 Resistência a compressão A determinação da resistência a compressão foi realizada nos corpos-de-prova moldados aos 3, 7 e 28 dias, respectivamente, de acordo com a NBR 5738 (ABNT, 1994). Foram testados três corpos-de-prova para cada tipo de concreto e idade. Os corpos-de-prova foram ensaiados no equipamento EMIC, 200tf, do Laboratório de Comportamento Mecânico do Departamento de Engenharia Civil do CEFET-MG. O carregamento da máquina foi contínuo até a ruptura do concreto. O resultado é expresso em MPa e corresponde à relação entre a carga de ruptura e a seção transversal do corpo-de-prova. 3.2 Módulo de Elasticidade O ensaio de determinação do módulo de elasticidade foi realizado na idade de 28 dias para os corpos-de-prova de concreto convencional e com escória. O ensaio realizou-se com a aplicação de uma carga axial de compressão aplicada incrementalmente. Os corposde-prova foram instrumentados por clipe gage e strain gages uniaxiais. Os strain gages foram colados em posições diametralmente opostas, longitudinalmente e transversalmente. Desse modo, os strain gages são capazes de medir as deformações nas direções longitudinais e transversais. Os strain gages utilizados nos corpos-de-prova de concreto convencional e de concreto com escória foram do tipo KC-80-120-A1-11, K=2,13 da Kyowa para concreto. O sistema foi configurado para medir a variação da resistência elétrica dos strain gages por meio do sistema de aquisição de dados HP 34970A. Os corpos-de-prova de concreto convencional e com escória foram identificados como CC13, CC14, CC15, CE13, CE14 e CE15. Cada strain gage foi identificado com o número do canal a que estava ligado no sistema de aquisição de dados. Os strain gages colados longitudinalmente foram identificados com numeração ímpar a partir do canal 101 e aqueles colados horizontalmente, com números pares a partir do canal 102. De acordo com a NBR 6118 (ABNT, 2003), o valor do módulo de elasticidade tangente inicial para o concreto convencional, na falta de resultados experimentais, deve ser estimado de acordo com a o módulo tangente inicial do concreto [MPa]; a resistência característica à compressão do concreto [MPa]; a resistência média [MPa]; o desvio padrão. A partir das equações, estimou-se o módulo de elasticidade para os dois tipos de concreto. Para cada um dos corpos-de-prova de concreto convencional e concreto com escória, foram traçados gráficos de tensão x deformação para os valores obtidos pelo clipe gage da máquina EMIC e por cada um dos strain gages instalados. A partir da curva tensão x deformação, traçouse a tangente à curva do ponto 0,5MPa até 30% da tensão máxima, encontrando-se assim a equação da reta tangente e o módulo de elasticidade tangente inicial denominado de Eci pela NBR 6118 (ABNT, 2003). A figura 3 apresenta a montagem para o ensaio de módulo de elasticidade e resistência a compressão aos 28 dias. 4 RESULTADOS DOS ENSAIOS 4.1 Resistência a compressão Figura 3: Montagem do ensaio de determinação do módulo de elasticidade e resistência a compressão. A figura 4 apresenta a variação da resistência a compressão com a idade e tipo do concreto.
........................................................ Educação.......... &.. Tecnologia............................................................... 25 Figura 4: Variação da resistência a compressão de acordo com a idade e o tipo do concreto. 4.2 Módulo de Elasticidade O ensaio para determinação do módulo de elasticidade foi realizado aos 28 dias, sendo testados três corpos-de-prova para cada tipo de concreto estudado. Os dados do clipe gage foram processados pelo programa Tesc (versão 3.04) da máquina EMIC DL30000N do Laboratório de Comportamento Mecânico do Departamento de Engenharia Civil do CEFET-MG. A figura 5 apresenta a deformação medida pelo clipe gage da máquina EMIC e dos strain gage colados ao CC14. Figura 6: Gráfico da tensão aplicada pela deformação medida pelos strain gages e pelo clipe gage (EMIC). A tabela 4 apresenta os valores obtidos experimentalmente pelo clipe gage da EMIC para o concreto convencional. TABELA 4: VALORES DE ECI OBTIDOS PELA MÁQUINA EMIC PARA O CONCRETO CONVENCIONAL. CC EMIC Eci 13 31429,64 14 29473,25 15 25142,46 Média 28681,78 Desvio 3217,448 Coef.Var. 0,112177 A tabela 5 apresenta os resultados para módulo de elasticidade tangente inicial (Eci) obtidos pelo ensaio com os extensômetros verticais colados aos corpos-deprova de concreto convencional. TABELA 5: MÓDULO DE ELASTICIDADE (ECI) STRAIN GAGES Eci- "Strain-gage" CC 13 14 15 Canal 101 103 105 107 201 203 Figura 5: Gráfico de deformação x tempo dos extensômetros do CC14. A figura 6 apresenta os resultados obtidos pela máquina e pelos strain gages verticais para o corpo-deprova CE15 de concreto com escória. Eci 27496,57 26635,21 32088,09 34352,08 Sem leitura Média 27065,89 33220,09 Desvio 609,07 1600,88 Coef.Var. 0,02 0,05 Tratamento das médias Média 30142,99 Desvio 2638,00 Coef.Var. 0,09 48824,00
...................................................................................................................................... 26 Educação & Tecnologia A tabela 6 apresenta os valores obtidos no ensaio dos corpos-de-prova de concreto com escória para módulo de elasticidade tangente inicial (Eci) da máquina EMIC. TABELA 7: MÓDULO DE ELASTICIDADE (ECI) STRAIN GAGE CE 13 Eci - Strain gage TABELA 6: MÓDULO DE ELASTICIDADE CE-EMIC CE EMIC Eci 13 37847,13 14 34427,14 15 35722,34 Média 35998,87 Desvio 1726,683 Coef.Var. 0,047965 A tabela 7 apresenta os resultados para o módulo de elasticidade tangente inicial obtido pelo ensaio com os extensômetros verticais para o concreto com escória. Canais 205 207 14 303 15 Eci 29885,07 31092,34 301 --- 305 307 Média 30488,71 34775,83 32450,34 35988,45 Desvio 853,67 34219,40 Coef.Var. 0,03 2501,82 Tratamento das médias Eci médio 32354,05 Desvio 2638,00 Coef.Var. 0,08 De acordo com as equações (1) e (2), os valores previstos para o concreto convencional e para o concreto com escória foram iguais com valor de 32GPa. A figura 9 apresenta o gráfico comparativo entre os valores do módulo de elasticidade teórico e experimental encontrado para os concretos convencional e reciclado, obtidos pelos dois métodos adotados. Figura 9: Gráfico comparativo entre os valores do módulo de elasticidade teórico e experimental.
........................................................ Educação.......... &.. Tecnologia............................................................... 27 5 CONCLUSÕES O concreto convencional e o concreto reciclado apresentaram, aos três dias, resistências a compressão de 26MPa e 27MPa, respectivamente. Na idade de 7 dias, o concreto com escória apresentou maior resistência a compressão. Na idade de 28 dias, o concreto com escória apresentou resistência a compressão de 43MPa e o concreto convencional, de 34MPa. A média dos valores do módulo de elasticidade verificado para o concreto reciclado foi superior à média dos valores do módulo de elasticidade verificado para o concreto convencional e ao valor teórico. A diferença entre o valor do módulo de elasticidade tangente inicial medido pelo strain gage e pelo clipe gage foi de 9% para o concreto convencional e 10% para o concreto com escória. No ensaio com clipe gage, o concreto convencional apresentou módulo de elasticidade menor que o obtido com o strain gage. Para o ensaio com o concreto com escória, o resultado foi o oposto. O ensaio indicou diferença entre os valores avaliados pelos dois tipos de técnicas. 6 AGRADECIMENTOS Ao DPPGEC CEFET-MG, pela bolsa concedida; ao Grupo de Pesquisa Reciclos, pelo apoio ao trabalho realizado, e ao Técnico do Laboratório de Materiais de Construção do CEFET-MG e seus auxiliares. 7 REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, NBR 5738. Moldagem e cura de corpos-de-prova cilíndricos. Rio de Janeiro, 1994. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, NBR 5739. Concreto Ensaio de compressão de corpos-deprova cilíndricos. Rio de Janeiro, 1994. EFTTING, C; Mecânica da Fratura aplicada em materiais ducteisdúcteis e frágeis. Dissertação (Mestrado), UDESC, Joinville, 2004. FREITAS, A.S; Contribuição ao estudo do desempenho produzido com agregado graúdo de escória de ferrocromo. Tese (Doutorado), Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2001. MAIA, N.S. Estudo analítico experimental de tensões em um desaerador de usina termelétrica. Dissertação (Mestrado), Universidade Federal de Minas Gerais, 1998. MASLEHUDIN,M. et al. Comparation of propierties of steel slag and crushed limestone aggregate concretes. Construction and Building Materials, v. 17, 2003. MEHTA, P.K; MONTEIRO, P.J.M; Concreto Microestrutura, propriedades e materiais. 3 ed. IBRACON, 2008. PACHECO, R.F.R; Análise do módulo de elasticidade e resistência à compressão de concretos produzidos em centrais na grande Vitória, experimentos e estatística. Dissertação (Mestrado), Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, 2007. PEIXOTO, R.A.F et al. Proposal for application of steel slag in the production of cement Portland concret. XXXIXst International Steelmaking Seminar of the ABM, Paraná, May, 2008. QASRAWI, H; SHALABI, F; ASI, A. Use of low CaO unprocessed steel slag in concrete as fine aggregate. Construction and Building Materials, junho, 2008. STIEF, J.N.P; MAIA, N.S; PEIXOTO, R.A.F; Estudo por meio de strain gage do comportamento do concreto convencional e reciclado. Encontro Nacional do Betão Estrutural, Universidade do Minho, Portugal, 2008. ASSOCIAÇÕES BRASILEIRAS DE NORMAS TÉCNICAS, NBR 6118, ProjetoASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, NBR 6118. Projeto de estruturas de concreto armado. Brasília, 2003. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, NBR NM 67. Concreto, determinação da consistência pelo abatimento do tronco de cone, 1998.